Informacje prasowe

Zoptymalizowane narzędzia do produkcji zrównowaĹźonych samolotów przyszłości

Narzędzia i procesy Sandvik Coromant wspomagają wysokiej jakości obróbkę trudno skrawalnych podzespołów z superstopów Ĺźaroodpornych (HRSA)

„Koncentracja na dobrej konstrukcji jest coraz waĹźniejsza dla ludzi i planety” według zleconej przez brytyjski rząd publikacji UK Innovation Strategy. Dotyczy to takĹźe branĹźy lotniczej, gdyĹź eksploatacja samolotów przyszłości będzie bardziej zrównowaĹźona, aby wspierać cel osiągnięcia zerowych emisji na całym świecie. W artykule Steve Weston, menedĹźer branĹźowego centrum technologii dla branĹźy lotniczej w firmie Sandvik Coromant, wyjaśnia, dlaczego zoptymalizowane narzędzia i wiedza o procesach będą kluczowe dla zrównowaĹźonego rozwoju i innowacji w branĹźy lotniczej, zwłaszcza w obróbce coraz trudniej skrawalnych materiałów.

Zdjęcie 1:Nowe technologie i procesy są stosowane szczególnie często podczas produkcji średniej wielkości samolotów z jednym przejściem między rzędami foteli, takich jak Airbus A321.

ZrównowaĹźone samoloty przyszłości będą w coraz większym stopniu oparte o kolejną generację superstopów Ĺźaroodpornych (HRSA) na bazie proszku oraz materiały kompozytowe na matrycy ceramicznej (CMC), gdyĹź ich odporność na wysokie temperatury umoĹźliwia wydajniejsze spalanie paliwa i niskie emisje. Jednak uĹźywane w tym celu materiały muszą być odporne na gorąco i pełzanie oraz utrzymywać dobre właściwości takĹźe w ekstremalnych temperaturach. Oznacza to spore wyzwania na etapie obróbki. 

Według raportu UK Innovation Strategy nowe technologie i procesy będą kluczem do produkcji i obróbki tych zaawansowanych materiałów na dużą skalę. Współpraca w ramach branĹźy takĹźe będzie istotna, co juĹź teraz moĹźna zaobserwować w Ośrodku Zaawansowanych Badań nad Produkcją (AMRC) w Sheffield (Wielka Brytania). 

Firma Sandvik Coromant naleĹźała do pierwszych członków, którzy dołączyli do AMRC, gdy ośrodek został załoĹźony w 2000 roku, obok Boeinga i Messier Dowty (obecnie Safran Landing Systems). PóĹşniej dołączyły do nich takie firmy, jak British Aerospace, Rolls-Royce, GKN Aerospace i Airbus. Obecnie AMRC liczy w sumie około 118 członków. Większość projektów realizowanych przez ośrodek ze swej natury polega na współpracy, sponsorowanej i zarządzanej przez wszystkich członków. Obecnie AMRC zatrudnia ponad 500 wysoko wykwalifikowanych badaczy i inĹźynierów z całego świata. Wszyscy oni pracują nad projektami wartymi wiele milionów funtów, wspierającymi rozwój silnej, proinnowacyjnej gospodarki. 

W branĹźy lotniczej zrównowaĹźony rozwój oznacza, Ĺźe nowe technologie i procesy powinny koncentrować się na moĹźliwościach spalania nowych typów paliwa, takich jak zrównowaĹźone paliwo lotnicze i ciekły azot, aby obniĹźać emisje. Jak zawsze podzespoły pracujące w wyĹźszych temperaturach sprawiają, Ĺźe spalanie paliwa jest bardziej wydajne. W połączeniu z wyĹźszymi współczynnikami spalania, które charakteryzują większość nowych i przyszłych silników, uzyskuje się wyĹźszą wydajność. W rezultacie spala się mniej paliwa, rośnie moc silnika i obniĹźa się poziom hałasu.

Innowacje na rzecz zrównowaĹźonego rozwoju 

W silnikach lotniczych rdzeń jest stosunkowo mały, a wirnik z przodu stosunkowo duĹźy. Wynika z tego, Ĺźe czynnikiem ograniczającym konstruktorów są obroty maksymalne wirnika. Aby rozwiązać ten problem, w ciągu ostatnich 5–10 lat wprowadzono przekładnie między wirnikiem a rdzeniem silnika. Dzięki nim wirnik moĹźe obracać się wolniej, a rdzeń silnika – szybciej, co zwiększa stopień sprężania i wydajność zuĹźycia paliwa. 

Jednak rozwiązanie to wymaga stosowania z podzespołów z superstopów Ĺźaroodpornych. Skład metalurgiczny takich materiałów umoĹźliwia im zachowanie właściwości takĹźe w ekstremalnych temperaturach. Z drugiej strony naprężenia powstające podczas ich obróbki są duĹźe. Wyjątkowa odporność superstopów na bazie niklu, Ĺźelaza i kobaltu na temperatury bliskie temperaturze topnienia metalu bazowego wpływa na ich zasadniczo niewielką skrawalność.

Częścią stosowaną coraz częściej w branĹźy lotniczej jest blisk, czyli podzespół złoĹźony z tarczy wirnika i łopatek. Inaczej niĹź w przypadku tradycyjnych tarcz, które mają rowki na średnicy zewnętrznej służące do zamocowania łopatek, blisk to jeden podzespół obejmujący tarczę i łopatki, lĹźejszy od tradycyjnej tarczy z łopatkami. Oznacza to zmniejszenie liczby podzespołów w sprężarce, a jednocześnie mniejszą bezwładność i zwiększenie wydajności sprężania powietrza w silniku o około 8%.

Tarcze wirników, składające się z samej tarczy i łopatek, są coraz częściej stosowane w branĹźy lotniczej, ale ich obróbka jest wyjątkowym wyzwaniem. 

Bliski na ogół znajdują się w silniku lotniczym po zimnej stronie sprężarki i przewaĹźnie są wykonane z tytanu, zastępowanego przez superstopy Ĺźaroodporne, jeśli znajdują się bliĹźej komory spalania. Skuteczna obróbka takich podzespołów zgodnie z najsurowszymi normami wymaga zoptymalizowanych narzędzi i wiedzy o procesach dotyczącej tych zaawansowanych materiałów. 

Dlatego wewnętrzne projekty w firmie Sandvik Coromant w tak duĹźym stopniu koncentrują się na róĹźnorodnych kluczowych podzespołach i funkcjach silników lotniczych. Są to między innymi tarcze, bliski, wały i obudowy. Widoczne jest zwłaszcza coraz częstsze stosowanie blisków w dzisiejszych gazowych silnikach lotniczych. MoĹźna oczekiwać kontynuacji tego trendu w związku z dążeniem do maksymalnego zwiększenia mocy i wydajności zuĹźycia paliwa obecnie stosowanych konfiguracji silników lotniczych.

Jednak obróbka blisków wiąże się ze szczególnymi wyzwaniami, poniewaĹź często są one wykonane z superstopów Ĺźaroodpornych. Podzespoły te wymagają wąskich tolerancji wymiarowych i geometrycznych, a zarazem podtrzymania wysokich standardów integralności i chropowatości powierzchni.

Większe bezpieczeństwo obróbki

Wychodząc naprzeciw tym wyzwaniom, firma Sandvik Coromant oferuje szereg rozwiązań narzędziowych wspomagających ekonomiczną, wysokiej jakości obróbkę podzespołów silników lotniczych. Jedną z takich metod – zalecanych przez Sandvik Coromant – jest frezowanie walcowe z wysokim posuwem. W technice tej stosuje się małą szerokość frezowania przedmiotu obrabianego, która umoĹźliwia zwiększenie prędkości skrawania, posuwu i głębokości skrawania dzięki niĹźszej temperaturze, mniejszej grubości wióra i siłom promieniowym. 

Z myślą o tej metodzie firma Sandvik Coromant stworzyła asortyment frezów do frezowania walcowego z wysokim posuwem CoroMill® Plura HFS. Obejmuje on serię frezów trzpieniowych o wyjątkowych geometriach i gatunkach, złoĹźoną z dwóch rodzin frezów. Jedna rodzina to narzędzia zoptymalizowane pod kątem stopów tytanu, a druga – pod kątem stopów niklu. Odprowadzanie wiórów i wysoka temperatura to typowe wyzwania podczas obróbki tytanu, dlatego w pierwszej rodzinie znajdują się narzędzia w wersji monolitycznej, przeznaczone do pracy w typowych warunkach odprowadzania wiórów. Druga rodzina posiada funkcje wewnętrznego podawania chłodziwa i nowego wspomagania chłodzenia w celu optymalnej kontroli wiórów i temperatury.

Podczas testu przeprowadzonego u klienta sprawdzono frez trzpieniowy o średnicy 12 mm CoroMill® Plura HFS, porównując go z produktem konkurencji o tych samych wymiarach. Test polegał na obróbce obudowy turbiny niskiego ciśnienia (LPT) wykonanej ze starzonego stopu na bazie niklu Waspaloy 420 na poziomym centrum obróbkowym, przy większej osiowej i mniejszej promieniowej głębokości skrawania. W efekcie dzięki zastosowaniu CoroMill® Plura nastąpił znaczny wzrost wydajności skrawania, czego skutkiem był imponujący wzrost produktywności w zakładzie klienta o 198%. Rozwiązanie to zostało równieĹź zastosowane do produkcji blisków, a takĹźe tarcz i obudów turbin, obróbki łopatek i Ĺźebrowań zmniejszających masę.

Frez CoroMill® Plura firmy Sandvik Coromant umoĹźliwił jednemu z klientów zwiększenie produktywności o 198% i został zastosowany do produkcji tarcz wirnika i innych podzespołów. 

Inne rozwiązania z asortymentu Sandvik Coromant to gatunki tokarskie kolejnej generacji, wykorzystujące węglik i polikrystaliczny regularny azotek boru (PCBN), przeznaczone do szybkościowego toczenia wykończeniowego podzespołów z materiałów z grupy ISO S. Uzupełnieniem tych gatunków są z kolei ceramiczne gatunki kolejnej generacji do toczenia zgrubnego, mające osiągać szczytową wydajność w swojej klasie. Najnowsze gatunki do obróbki wykończeniowej są testowane i optymalizowane przez Sandvik Coromant, aby zapewniać powtarzalną integralność powierzchni wymaganą przez producentów silników lotniczych i jednocześnie umoĹźliwiać produkcję podzespołów zgodnie z wąskimi zakresami tolerancji. 

Przyszłość

Według raportu UK Innovation Strategy, globalne centra innowacji, takie jak AMRC, będą nadal sprawiać, Ĺźe „róĹźnej wielkości firmy będą tworzyć przełomowe nowe produkty, zwiększać swoją wydajność i dążyć do pełni rozwoju, a wszystko to z myślą o globalnym i zarazem krajowym rynku”.

Ponadto podzespoły z superstopów Ĺźaroodpornych, takie jak bliski, będą coraz powszechniej stosowane w zrównowaĹźonych samolotach przyszłości. Jeden z czołowych producentów z branĹźy lotniczej, z którymi firma Sandvik Coromant współpracuje w ramach AMRC, pracuje nad większymi silnikami typu UltraFan w celu stworzenia superwydajnych konstrukcji spalających biopaliwa. Inną innowacją o kluczowym znaczeniu są łopatki wykonane przy uĹźyciu technologii formowania z przenoszeniem Ĺźywicy, zmieniające ustawienie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika. Technologie te są juĹź rozpowszechnione w średniej wielkości samolotach z jednym przejściem między rzędami foteli, takich jak Airbus A321. 

Przewiduje się takĹźe, Ĺźe w przyszłości średniej wielkości samoloty będą napędzane wodorem, natomiast loty krajowe będą obsługiwane przez mniejsze maszyny z napędem elektrycznym. Obecnie istnieje wiele początkujących firm produkujących mniejsze silniki elektryczne do samolotów, a CNBC informuje, Ĺźe wartość rynku samochodów elektrycznych – znanych jako elektryczne taksówki powietrzne – moĹźe osiągnąć w skali globalnej 1,5 tryliona USD do 2040 roku. W przyszłości mogą nawet powstać regionalne lądowiska. Przykładowo pasaĹźerowie odbywający krótsze podróĹźe (np. po Europie) będą mogli skorzystać z samolotu z napędem wodorowym, natomiast w dalszą podróĹź (np. do Stanów Zjednoczonych) wybiorą się samolotem na biopaliwo.

Na poziomie podzespołów rozwiązania te będą opierać się o kolejne generacje materiałów, na co są juĹź gotowe stworzone przez Sandvik Coromant zoptymalizowane rozwiązania narzędziowe, a takĹźe rozległa wiedza o procesach obróbki i zastosowaniach. Sandvik Coromant i AMRC będą nadal pracować nad tym, aby zoptymalizowana konfiguracja procesów obróbki pozostała istotna dla czołowych producentów z branĹźy lotniczej, a takĹźe ludzi i planety.

Ĺšródło: Sandvik Coromant