5-Achs-CNC-Bearbeitung für Luft- und Raumfahrtkomponenten

Wir verwendeten vollständige gleichzeitige 5-Achsen-CNC-Bearbeitung auf der Titanturbinenhalterung eines europäischen Luft- und Raumfahrt-OEMs. Das Teil war die Ti-6Al-4V, 187mm x 94mm x 62mm, mit einer ±0.01 mm kritische Bohrungstoleranz. Wir lieferten 50 validierte Teile in 14 Tagen, Erreichen einer Erstpass-Inspektionsrate von 98 % und null Feldausfällen bei funktionalen Tests nach der Lieferung.

Einleitung

Ein Luft- und Raumfahrtbeschaffungsingenieur hat sich mit einem Problem bei uns gemeldet, das wir oft sehen: ein Zulieferer hatte nach drei DFM-Überprüfungsrunden die Ziehung der Turbinenhalterung abgelehnt. Die Geometrie hatte fünf untergeschnittene Flächen, eine 14 mm tiefe Innenhöhle mit 0,8 mm langen Wandabschnitten, und ein Bohrungscluster, das ±0 fassen musste.01 mm über eine Spannweite von 62 mm.

Mit konventioneller 3-Achsen-Bearbeitung, Dieser Teil erfordert mindestens vier separate Setups. Jede Änderung der Einrichtung führt zu einer Begrenzungsverschiebung. Bei einem Titanteil mit so engen Toleranzen, sogar eine 0.008-mm-Bezugsfehler reicht aus, um die Inspektion nicht zu versagen.

Unser Team bot einen anderen Weg an: vollständige gleichzeitige 5-Achs-CNC-Bearbeitung aus einer einzigen Fixierung. Diese eine Entscheidung veränderte alles, wie dieses Projekt verlief.

Projektübersicht

Der Kunde war ein Tier-1-Anbieter von Avionik und Strukturkomponenten mit Sitz in Deutschland, Entwicklung einer Turbinenhalterung der nächsten Generation für ein Programm für Schmalrumpf-Verkehrsflugzeuge. Die Halterung wird zwischen dem Triebwerksgondelrahmen und dem Kerngehäuse des Triebwerks montiert. Er trägt während des Flugs sowohl statische strukturelle Belastungen als auch Schwingungszyklen, Maßgenauigkeit und Oberflächenintegrität sind daher nicht optional.

Sie benötigten 50 Prototypen- und Vorserienteile für FAI (Erste Artikel-Inspektion) Qualifikation und Funktionslastprüfung. Das Lieferfenster war nicht verhandelbar: 14 Kalendertage ab der Ziehungsgenehmigung.

Sie kamen zu sichGD Prototyping nachdem ihr vorheriger Lieferant es nicht geschafft hatte, die Laufpositionstoleranz über zwei Testchargen hinweg einzuhalten.

Technische Spezifikationen

Parameter	Detail
Material	Titan Grad 5 (Ti-6Al-4V, AMS 4928)
Name des Teils	Turbinenhalterung
Abmessungen	187mm x 94mm x 62mm
Kritische Bohrungstoleranz	±0.01mm
Allgemeine Toleranz	±0.03mm
Wandstärke (Minimum)	00,8 mm
Oberflächengüte	Ra 0,8 μm (Bohrung), Ra 1,6 μm (Äußere Flächen)
Menge	50 Teile (Vorproduktion)
Vorlaufzeit	14 Kalendertage
Primärer Prozess	Vollständiges gleichzeitiges 5-Achsen-CNC-Fräsen
Sekundärer Prozess	CNC-Drehen (Boss-Merkmale), Manuelles Entgraten
Eingesetzte Maschine	DMG Mori DMU 65 monoBLOCK
CAM-Software	Siemens NX CAM
Inspektionsmethode	Zeiss CMM, surface profilometer

Bearbeitungsprozess

So haben wir diese Halterung in 14 Tagen vom rohen Titan-Block zum inspektionsfähigen Teil gebracht.

Schritt 1: CAM-Programmierung und Werkzeugwegsimulation

Unser CAM-Ingenieur hat den gesamten Werkzeugweg in Siemens NX CAM gebaut. Vor dem Schneiden eines einzelnen Chips, Wir führten eine vollständige Kollisionssimulation in der Software aus. Dieser Schritt stellte zwei Konflikte zwischen Werkzeughalter-Freiraum im Annäherungswinkel der Innenhöhle fest. Wir lösten die Probleme, indem wir die Kippachse des Werkzeugs auf 12 Grad versetzt und von einem Standard-BT40-Halter auf einen schmalen Schrumpfhalter umgestiegen sind.

Schritt 2: Vorrichtungsdesign und Werkstatt

Wir haben eine maßgeschneiderte modulare Titan-Leuchte entworfen, die das Billet an der Basisflanschzone klemmt, Alle fünf kritischen Flächen für den Werkzeugzugriff offen halten. Die Arbeitsfestigkeit ist mit Titan nicht verhandelbar: Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials sorgt dafür, dass sich die Wärme schnell aufbaut, und jedes Klappern beim Schneiden beschleunigt den Werkzeugverschleiß und kann Mikroflächenschäden verursachen, die die Laufspezifikation von Ra 0,8 μm nicht erfüllen.

Schritt 3: Roughing

Wir haben eine 12-mm-Hardmetall-4-Rillen-Endfräse für das Schruppen verwendet, Materialentfernung in 1,5 mm axialen Tiefendurchgängen mit einer Schneidgeschwindigkeit von 180 m/min. Das Kühlmittel war eine Hochdruck-Durchspindelflut mit 80 bar, um Titanchips zu entfernen und Hitze zu unterdrücken. Wir haben 0,25 mm Stoff an allen Wänden für den Finish-Pass gelassen.

Schritt 4: Halbfinale und Finishing

Für die komplexen unterbeschnittenen Flächen und die innere Kavität, Wir führten vollständige 5-Achsen-Parallelbahnen mit einem 6-mm-Kugelnasen-Karbidschneider mit einem 0,1-mm-Stepover. Die RTCP der DMG Mori (Drehwerkzeug-Mittelpunkt) Die Funktion hielt den Werkzeugtipp während aller Achsenrotationen genau auf der gekrümmten Oberfläche, wodurch der Positionsfehler entfallen würde, der auftreten würde, wenn wir das Teil neu positionieren würden.

Die Endbohrung wurde mit einem 10-mm-Vollkarbid-Reamer betrieben, der mit 25 m/min und einer 0 arbeitete.02 mm/Drehzahl Zuführung. Diese Kombination hielt den Bohrungsdurchmesser auf ±0.008 mm über alle 50 Teile hinweg.

Schritt 5: Entgraten und Oberflächenvorbereitung

Manuelles Entgraten wurde an allen Innenkanten mit titankompatiblen Hartmetallgraten durchgeführt. Die Teile wurden dann vor der Inspektion in einem Ultraschallbad gereinigt.

Herausforderungen und Lösungen

Dieses Projekt hatte zwei ernsthafte technische Probleme. Hier ist, was passiert ist und wie wir jedes einzelne Problem behoben haben.

Herausforderung 1: Dünnwandverformung während der inneren Hohlraumbearbeitung

Der 0,8 mm lange Wandabschnitt an der Basis des Innenraums war das gefährlichste Merkmal an diesem Teil. Während unserer ersten beiden Testschnitte an Vorproduktionsproben, Die Wand wurde um 0 abgelenkt.04 mm unter Werkzeugdruck. Das hat ihn außerhalb der ±0 gedrängt.03 mm allgemeine Toleranz.

Was wir zuerst ausprobiert haben (und warum es scheiterte): Wir haben die Schnitttiefe auf 0,5 mm axiale Durchgänge reduziert. Die Ablenkung verbesserte sich leicht, aber nicht genug. Die Wand maß immer noch 0.036 mm nach der Bearbeitung auf einer Seite aus der Position.

Die eigentliche Lösung: Wir haben die Werkzeugweg-Sequenz so umgestaltet, dass die Hohlwände nur noch in Kletter- und Fräsrichtung grob geschnitten wurden, was die radiale Schneidkraft reduziert, die gegen die Wand drückt. Wir haben außerdem eine Unterstützungsstrategie hinzugefügt, bei der wir während des Roughings 0,15 mm zusätzlichen Stoff an der gegenüberliegenden Wand gelassen haben, um als temporäre Verstrebung zu dienen, Entfernung nur beim letzten Finish-Durchgang. Nach dieser Änderung, Alle 50 Produktionsteile wurden innerhalb von ±0 gemessen.018 mm an der Wandposition, Gut innerhalb der Spezifikationen.

Herausforderung 2: Bohrpositionsdrift über eine 62-mm-Spannweite

Die Halterung hat drei koaxiale Bohrungen, die über eine 62 mm breite Spannweite verteilt sind. Die FAI-Anforderung des Kunden war, dass alle drei Bohrzentren innerhalb von ±0 bleiben.01 mm wahre Position relativ zum primären Datum. Das ist eng für ein Titanteil, Weil die geringe Leitfähigkeit des Materials während der Bearbeitung thermisches Wachstum verursacht, das die Bezüge bewegt.

Was wir zuerst ausprobiert haben (und warum es scheiterte): In unserer ersten Charge von 10 Teilen, Wir bearbeiteten alle drei Bohrungen im gleichen Dauergang. Als das CMM diese Teile maß, Die dritte Bohrung in der Sequenz zeigte 0.013mm True Position Error - Etwas außerhalb der Spezifikation. Wir haben den Fehler auf das thermische Wachstum der Fixierung und des Werkstücks während des 38-minütigen Schneidzyklus zurückgeführt.

Die eigentliche Lösung: Wir haben einen mitten im Zyklus von 8 Minuten Zwischenzeit zwischen dem Rohbau des Bohrrohrclusters und dem Fertigstellen hinzugefügt, mit kontinuierlich laufendem Kühlmittelflut. Dies stabilisierte die Bauteiltemperatur auf innerhalb von 1,5 °C über den Umgebungswert vor der Fertigstellung. Wir haben außerdem die Bezugsreferenz alle 5 Teile mit der Berührungssonde der Maschine neu gemessen und eine automatische Verschiebungskorrektur angewendet. Nach diesem Protokoll, die tatsächliche Position auf allen verbleibenden 40 Teilen blieb innerhalb von ±0.009mm.

Qualitätskontrolle

Jedes Teil durchlief vor dem Versand ein dreistufiges Inspektionsprotokoll.

Etappe 1: In-Process Touch Probe Inspektion

Die integrierte Renishaw-Berührungssonde der DMG Mori überprüfte nach jedem Fertigstellung die Bezugsposition und den Bohrdurchmesser, direkt auf der Maschinentabelle. So konnten wir jede Abweichung erkennen, bevor das Teil abgeklemmt wurde.

Etappe 2: CMM Volldimensionaler Bericht

Wir maßen 100 % der 50 Teile auf einem Zeiss Contura CMM. Jeder Bericht deckte 34 Messpunkte ab, darunter:

3 Rohrdurchmesser und wahre Positionen
5 Parallelitätswerte von Angesicht zu Angesicht
Minimale Wanddicke an 6 Hohlräumpunkten
4 Gewindeform-Merkmale

Etappe 3: Oberflächenüberprüfung

Wir verwendeten ein Mitutoyo SJ-210 Profilometer auf jeder Bohrung und 3 äußere Flächen pro Bauteil. Alle 50 Teile durchliefen Ra 0,8 μm an Bohrungen und Ra 1,6 μm an äußeren Flächen.

Das vollständige CMM-Datenpaket, Bestimmtes Material, und Maschinenprotokolle wurden mit der Lieferung als Teil des FAI-Dokumentationspakets geliefert.

Befund

Die Zahlen erzählen die Geschichte klar:

Vorlaufzeit: 14 Kalendertage von der Entzugsgenehmigung bis zur Lieferung, Wie vereinbart
First-Pass-Inspektionsrate: 98% (49 von 50 Teilen bestanden alle 34 Messpunkte bei der ersten Inspektion; Ein Teil erforderte eine leichte Bohrung)
Truhe true position: Alle 50 Teile innerhalb von ±0.009 mm gegen einen ±0.01-mm-Anforderung
Wanddickenkonformanz: 100 % der Teile innerhalb von ±0.018 mm gegen ±0.03-mm-Spezifikation
Oberflächenfinish: 100 % Bestehensrate bei allen Ra-Messungen
Funktionale Tests nach der Lieferung: 0 Ausfälle an 50 Bauteilen während des FAI-Last- und Vibrationstestprogramms des Kunden
Kunden-Neubestellung: Der Kunde hat innerhalb von 3 Wochen nach der Lieferung eine 200-teilige Nachfolgebestellung aufgegeben

Warum 5-Achs-CNC-Bearbeitung verwendet wurde

Dieser Teil konnte auf keine andere Weise zuverlässig hergestellt werden. Hier ein kurzer Vergleich:

Besetzung: Investitionsguss kann Titan-Naar-Net-Formen erzeugen, Aber die Maßgenauigkeit bei Bohrungen und Flächen mit engen Toleranzen erfordert ohnehin umfangreiche Nachbearbeitung. Für eine 50-teilige Vorproduktion, Allein die Kosten für das Gießwerkzeug lagen bei 8 Dollar,000-12 Dollar,000 USD mit einer Vorlaufzeit von 6 Wochen vor dem ersten Teil.

3D-Druck (DMLS/SLM): Die additive Titanfertigung kann komplexe Geometrien erzeugen, aber es hinterlässt innere Spannungen, die die Maßstabilität und die Zylinderzylindrität des Bohrers beeinflussen. Die Nachbearbeitung erfordert weiterhin Bearbeitung, um eine Bohrung von Ra 0,8 μm zu erreichen. Für flugkritische Strukturkomponenten, Die Materialrückverfolgbarkeit und die Anforderungen an die Dokumentation des As-Built-Property verlängern die Validierungsfristen um Wochen.

3-Achs-CNC-Bearbeitung: Technisch möglich mit 4 Setups, aber jeder Umfixierungsschritt bringt das Risiko einer Begrenzungsverschiebung mit sich. Auf einem Teil mit ±0.01-mm-Bohrungs-Wahrstellung, Dieses Risiko ist inakzeptabel. UnserFallstudien zur CNC-Bearbeitung Zeigen Sie, warum ein einziger 5-Achs-Aufbau die richtige Wahl für komplexe Luft- und Raumfahrtgeometrien ist.

Vollständige gleichzeitige 5-Achsen-Bearbeitung ausGD Prototyping Das Problem der Neubefestigung wurde vollständig beseitigt, Die Vorlaufzeit wurde verkürzt, und gab dem Kunden mit jedem Teil eine vollständige, CMM-dokumentierte Qualitätsdokumentation.

FAQ

Welche Materialien kann man für Luft- und Raumfahrtkomponenten mit 5-Achsen-CNC bearbeiten?

Wir bearbeiten regelmäßig Titan Ti-6Al-4V (AMS 4928), Aluminium 7075-T6 und 6061-T6, Inconel 718, und Edelstahl 17-4 pH für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Materialzertifizierungen und vollständige Rückverfolgbarkeitsdokumentation sind für alle Luft- und Raumfahrtfahrzeuge erhältlich. Besuchen Sie unserSeite zu CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für die vollständige Materialliste.

Welche Toleranzen kann man bei 5-Achsen-Luft- und Raumfahrtteilen einhalten.?

Unsere übliche allgemeine Toleranz liegt bei ±0.05 mm. Für kritische Bohrungsmerkmale und Positionstoleranzen bei 5-Achsen-Bauteilen, Wir halten routinemäßig ±0.01 mm mittels Touch-Probe-Verifikation im Prozess und 100 % CMM-Inspektion. Eine Oberflächenoberfläche bis zu Ra 0,2 μm ist bei fertigen Bohrungen erreichbar.

Wie lange dauert es, um CNC-Prototypteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie zu bearbeiten??

Die Vorlaufzeiten hängen von der Komplexität und Menge der Bauteile ab. Für die Klammer in dieser Fallstudie, 50 Teile in 14 Tagen verschickt. Einfache prismatische Teile in kleinen Mengen können in 5–7 Tagen verschickt werden. Kontaktieren Sie uns für einen projektspezifischen Zeitplan.

Stellen Sie FAI-Dokumentation und Materialzertifikate bereit??

Ja. Wir stellen vollständige CMM-Inspektionsberichte bereit, Materialmühlenzertifikate, Prozessprotokolle, und Oberflächenverifikationsdaten als Standard bei Luft- und Raumfahrtaufträgen. Dieses Dokumentationspaket unterstützt AS9100 und kundenspezifische FAI-Anforderungen.

Was ist der Unterschied zwischen 3 2-Achsen-Bearbeitungen und vollständiger gleichzeitiger 5-Achsen-Bearbeitung??

In 3 2 Bearbeitung, Die beiden Rotationsachsen verriegeln das Teil in einem festen Winkel, während drei lineare Achsen den Schnitt durchführen. Für viele Funktionen ist es schneller und günstiger. In voller, gleichzeitiger 5-Achs-Modus, Alle fünf Achsen bewegen sich gleichzeitig, was für Undercut-Geometrien unerlässlich ist, Komplex gekrümmte Oberflächen, und enge True-Position-Toleranzen über mehrere Merkmale hinweg. Wir verwenden beide Ansätze, abhängig von Bauteilgeometrie und Toleranzanforderungen.

Abschluss

Dieses Titan-Turbinenhalterungsprojekt zeigt genau, was die vollständige gleichzeitige 5-Achsen-CNC-Bearbeitung leisten kann, die kein anderer Prozess im Prototyp- und Vorproduktionsmaßstab erreichen kann.: Einzel-Setup-Genauigkeit bei komplexer Geometrie, vollständige CMM-Dokumentation, und ein 14-tägiges Lieferfenster.

Wenn dein Luft- und Raumfahrtbauteil eine enge Bohrungstoleranz hat, dünne Wände, Untergeschnittene Flächen, oder Mehrachsenmerkmale, Unser Team beiGD Prototyping ist bereit, deine Zeichnung zu überprüfen. Wir geben Ihnen innerhalb von 12 Stunden eine DFM-Analyse und ein Angebot.

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