Table of Contents

Die Luft- und Raumfahrtindustrie arbeitet unter den strengsten Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen in der Fertigung. Jedes Bauteil, das in ein Flugzeug gelangt, muss extremen Temperaturen, hohen zyklischen Belastungen und korrosiven Umgebungen standhalten, während präzise Dimensionstoleranzen eingehalten werden. Zu den wichtigsten dieser Komponenten gehören Befestigungselemente – die Bolzen, Schrauben, Nieten, Stifte und Bolzen, die Flugzeugstrukturen zusammenhalten. Die Herstellung dieser Befestigungselemente erfordert Fertigungsverfahren, die eine außergewöhnliche Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Oberflächenintegrität liefern. Das Anräumnen hat sich als eine der wichtigsten und effektivsten Methoden zur Herstellung von Luft- und Raumfahrtbefestigungen herausgestellt, die eine einzigartige Kombination aus Präzision, Effizienz und Fähigkeit für komplexe Geometrien bietet.

Was ist Broaching?

Das Räumen ist ein subtraktives Bearbeitungsverfahren, bei dem ein speziell entwickeltes, mehrzahniges Schneidwerkzeug, ein Räumwerkzeug genannt, verwendet wird, um Material von einem Werkstück in einem einzigen Durchgang oder einer Reihe von Durchgängen zu entfernen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bearbeitungsverfahren wie Fräsen oder Drehen, bei denen ein ein- oder mehrpunktiges rotierendes Messer allmählich Material entfernt, verwendet das Räumen eine lineare oder rotatorische Bewegung mit progressiv gestuften Zähnen. Jeder Zahn auf dem Räumwerkzeug ist etwas höher oder breiter als der vorhergehende, so dass der Schnitt inkrementell über die Länge des Werkzeugs verteilt wird. Dies ermöglicht es dem Räumwerkzeug, gleichzeitig ein Merkmal zu rauhen, halb fertigzustellen und zu beenden ein einziger Hub, was die Zykluszeit drastisch reduziert.

Das Räumverfahren eignet sich besonders gut für die Herstellung von Innen- und Außeneigenschaften, die mit anderen Methoden schwierig oder zeitaufwendig zu erstellen sind. Übliche Anwendungen sind das Schneiden von Schlüsselkanälen, Keilverzahnungen, quadratischen Löchern, Sechskantlöchern, Verzahnungen und komplexen konturierten Oberflächen. Das Räumen kann mit einer breiten Palette von Materialien durchgeführt werden, von Aluminium und Weichstahl bis hin zu gehärteten Werkzeugstählen und hitzebeständigen Superlegierungen, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Das Verfahren erzeugt Teile mit hoher Maßgenauigkeit - typischerweise innerhalb von 0,0005 bis 0,001 Zoll (0,013 bis 0,025 mm) - und Oberflächengläser bis zu 8 bis 16 Mikrozoll Ra.

Räummaschinen werden weitgehend in zwei Kategorien eingeteilt: Linearräummaschinen und Rundräummaschinen. Beim Linearräumen wird der Räumvorgang geradlinig gegenüber dem Werkstück durchgeführt, während beim Rundräumen ein axial in das Werkstück eingespeistes rotierendes Räumwerkzeug verwendet wird. Beim Linearräumen gibt es horizontale und vertikale Maschinenkonfigurationen, die jeweils unterschiedliche Vorteile hinsichtlich Bodenfläche, Hublänge und Teilehandhabung bieten. Die Wahl des Maschinentyps hängt von der Geometrie des Teils, dem Produktionsvolumen, dem zu schneidenden Material und den erforderlichen Toleranzen ab.

Die entscheidende Rolle von Befestigungselementen in der Luft- und Raumfahrt

Befestigungselemente in der Luft- und Raumfahrt sind keine Waren; sie sind hochentwickelte Komponenten, die strenge Leistungsstandards erfüllen müssen. Ein durchschnittliches Verkehrsflugzeug enthält Millionen von Befestigungselementen, und jedes einzelne trägt zur strukturellen Integrität der Flugzeugzelle, des Motors und der Subsysteme bei. Befestigungselemente in Primärstrukturen wie Tragflächenholmen, Rumpfpaneele und Leitwerksbaugruppen tragen erhebliche Lasten und müssen Ermüdung, Kriech- und Spannungskorrosionsrissen über Jahrzehnte hinweg widerstehen. Der Ausfall eines einzigen kritischen Befestigungselements kann katastrophale Folgen haben, weshalb die Luft- und Raumfahrtindustrie strenge Anforderungen an das Design, die Materialauswahl und die Fertigungsqualität stellt.

Luft- und Raumfahrtbefestigungen werden aus einer Reihe von Materialien hergestellt, darunter Titanlegierungen (wie Ti-6Al-4V), Nickelbasis-Superlegierungen (wie Inconel 718 und Waspaloy), Edelstähle (wie 17-4 PH und A286), Aluminiumlegierungen (wie 7075-T6 und 2024-T3) und Speziallegierungen wie MP35N. Diese Materialien werden aufgrund ihrer hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, Korrosionsbeständigkeit und Fähigkeit, mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen beizubehalten, ausgewählt. Diese gleichen Eigenschaften machen sie jedoch schwierig zu bearbeiten. Viele dieser Legierungen werden als schwer zu schneidende Materialien eingestuft, die eine hohe Härte, geringe Wärmeleitfähigkeit und eine Tendenz zum Schneiden aufweisen. Traditionelle Bearbeitungsprozesse haben oft Schwierigkeiten, die erforderlichen Toleranzen und Oberflächenveredelungen zu erreichen diese Materialien bei Beibehaltung einer akzeptablen Lebensdauer und Produktivität.

Hier unterscheidet sich das Räumen. Der Räumprozess kann komplexe Befestigungselemente wie Innenverzahnungen, Antriebsausnehmungen, Drahtverriegelungslöcher und hinterschnittene Nuten mit einer Präzision und Konsistenz erzeugen, die andere Prozesse nicht ohne weiteres erreichen können. Darüber hinaus kann das Räumen, da ein speziell angefertigtes Werkzeug mit mehreren Schneiden verwendet wird, Operationen in einem Bruchteil der Zeit durchführen, die für das Fräsen oder das Einpunktdrehen erforderlich ist, wodurch es für mittel- bis hochvolumige Produktionsläufe sehr kostengünstig ist.

Warum Räumen für die Produktion von Luft- und Raumfahrtverschlüssen unerlässlich ist

Die Herstellung von Luft- und Raumfahrtbefestigungen umfasst mehrere verschiedene Herstellungsschritte: Kopf oder Formgebung, Wärmebehandlung, Einfädeln oder Rollen und Endbearbeitung von Merkmalen wie Antriebsausnehmungen, Verriegelungsmerkmalen und Schaftdetails. Räumen wird typischerweise in den Endbearbeitungsstufen eingesetzt, wo es verwendet wird, um interne und externe Merkmale zu schaffen, die enge Toleranzen und hohe Oberflächenqualitätsanforderungen erfüllen müssen.

Präzision und Wiederholbarkeit

Befestigungselemente für die Luft- und Raumfahrt weisen häufig innere Antriebsausnehmungen auf, die für die Aufnahme von Drehmomentwerkzeugen für die Montage und Demontage ausgelegt sind. Diese Aussparungen — wie Sechskant- (Torx-), Sechskant-, Phillips-, Pozidriv- und proprietäre Konstruktionen — müssen präzise Abmessungen aufweisen, um einen ordnungsgemäßen Werkzeugeingriff zu gewährleisten und ein Ausfahren oder Beschädigen während der Installation zu vermeiden. Das Räumen ist das bevorzugte Verfahren zur Herstellung dieser Aussparungen, da es eine einheitliche Geometrie von Teil zu Teil erzeugt. Das Räumwerkzeug wird genau in die Form der gewünschten Aussparung geschliffen und die Schneidwirkung wird durch den Hub der Maschine gesteuert, was zu identischen Merkmalen über Tausende von Teilen führt. Typische Lage- und Maßtoleranzen für räumte Antriebsausnehmungen in Luft- und Raumfahrtbefestigungen liegen im Bereich von 0,001 bis 0,003 Zoll (0,025 bis 0,076 mm) mit Oberflächenbeschaffenheiten von 16 Mikrozoll Ra oder besser.

Komplexe Geometrien in einem Pass

Bei vielen Luft- und Raumfahrtbefestigungen sind mehrere Merkmale in einem einzigen Spannvorgang herzustellen, um die Rundlaufgenauigkeit und Positionsgenauigkeit zu erhalten. Beispielsweise kann ein Befestigungselement eine Innensechskant-Antriebsausnehmung an einem Ende, eine Querbohrung für einen Verriegelungsdraht am Schaft und eine Außenverzahnung in der Nähe des Kopfes erfordern. Durch das Räumen können diese Merkmale in einer Abfolge von Vorgängen hergestellt werden, ohne das Teil von der Vorrichtung zu entfernen, wodurch sichergestellt wird, dass die Merkmale innerhalb enger Toleranzen ausgerichtet bleiben. Bei Verwendung eines Drehräumverfahrens wird das Räumwerkzeug in das Werkstück eingeführt, während sich sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück drehen, wodurch komplexe Innen- und Außenformen mit hoher Rundlauffähigkeit entstehen.

Wesentliche Vielseitigkeit

Das Räumen ist in der gesamten Palette von Luft- und Raumfahrtbefestigungsmaterialien wirksam, einschließlich solcher, die bekanntermaßen schwierig zu bearbeiten sind. Bei Titanlegierungen, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine Neigung zum Galgen und Abschmieren haben, kann das Räumen mit der richtigen Werkzeuggeometrie, Beschichtung und Schmierung erfolgreich durchgeführt werden. Bei Nickel-basierten Superlegierungen wie Inconel 718, die eine hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen beibehalten und eine starke Arbeitshärtung aufweisen, kann das Räumen mit Hartmetall- oder Hochgeschwindigkeitsstahlwerkzeugen und aggressiven Spanabfuhrstrategien akzeptable Werkzeuglebensdauer und Teilequalität erreichen. Bei ausscheidungshärtenden Edelstählen und Aluminiumlegierungen ist das Räumen hochproduktiv und liefert hervorragende Oberflächengüten.

Oberflächenintegrität und Müdigkeit

Die Oberflächenintegrität der bearbeiteten Bauteile ist für die Dauerhaltbarkeit des Befestigungselements entscheidend. Bearbeitungsprozesse, die Reißspannungen, Mikrorisse oder Oberflächenrauhigkeiten hervorrufen, können die Widerstandsfähigkeit des Bauteils gegenüber zyklischer Belastung erheblich verringern. Räumprozesse, die mit scharfen Schneidwerkzeugen und entsprechenden Schneidparametern durchgeführt werden, erzeugen eine Oberfläche mit geringer Eigenspannung und minimalen Oberflächenschäden. Die Räumwirkung erzeugt einen Poliereffekt von den nachlaufenden Finishzähnen, was die Oberflächengüte verbessern und in einigen Fällen vorteilhafte Druckeigenspannungen induzieren kann. Dies ist besonders wichtig für Befestigungselemente, die in ermüdungskritischen Anwendungen wie Turbinentriebwerkskomponenten und Flugzeugzellengelenken verwendet werden.

Technische Vorteile des Räumens für Befestigungselemente

Neben den allgemeinen Vorteilen der Präzision und Wiederholbarkeit bietet das Räumen mehrere spezifische technische Vorteile, die es zum bevorzugten Verfahren für die Herstellung von Verbindungselementen in der Luft- und Raumfahrt machen.

Hohe Präzision und Konsistenz

Das Räumwerkzeug ist ein präzises, einzweckfertiges Werkzeug, das die Form und Größe des fertigen Features definiert. Sobald das Werkzeug in der Maschine aufgestellt ist, hat jedes in diesem Lauf produzierte Teil die gleiche Geometrie, innerhalb der Toleranz des Werkzeugs. Dies eliminiert die Variabilität, die mit dem Werkzeugverschleiß oder der Verformung beim Fräsen oder Bohren verbunden ist. Bei großvolumigen Produktionsläufen kann das Räumen statistische Prozesskontrollmetriken wie Cpk-Werte über 1,33 oder 1,67 beibehalten, die die Anforderungen von Luft- und Raumfahrtqualitätsstandards wie AS9100 und die Anforderungen von großen Flugzeugbauern wie Boeing, Airbus und Lockheed Martin erfüllen.

Fähigkeit, komplexe Geometrien zu erzeugen

Das Räumen ist in einzigartiger Weise in der Lage, Innenformen zu erzeugen, die mit anderen Verfahren nur schwer oder gar nicht zu erzeugen sind. Beispielsweise können Innenverzahnungen, Evolventenverzahnungen und nicht kreisförmige Löcher in einem einzigen Durchgang räumt werden. Dies ist für Befestigungselemente, die mit entsprechenden Bauteilen durch geformte Löcher oder Keilgrenzflächen in Eingriff gebracht werden müssen, wesentlich. Komplexe Außenformen, wie z.B. Kastenmuttern oder konturierte Bolzenköpfe, können durch Oberflächenräumen oder Rundräumen hergestellt werden, oft in einem Bruchteil der für das Fräsen benötigten Zeit.

Hohe Produktionseffizienz

Das Räumen ist einer der schnellsten Bearbeitungsprozesse zur Herstellung identischer Merkmale an mehreren Teilen. Ein typischer interner Räumvorgang auf einer horizontalen Räummaschine kann eine Antriebsausnehmung oder einen Schlüsselkanal in 2 bis 10 Sekunden, abhängig von der Schnitttiefe und dem Material, abschließen. Für die Großserienfertigung können automatisierte Räumzellen Teilezufuhr, Klemmung, Räumen und Entladen in einem vollautomatischen Zyklus umfassen, wobei Durchsatzraten von Hunderten von Teilen pro Stunde erreicht werden. Dieser Wirkungsgrad ist ein wichtiger Treiber für den Einsatz des Räumens in der Luft- und Raumfahrtverschlussproduktion, wo das Jahresvolumen für bestimmte Verbindungstypen eine Million Einheiten überschreiten kann.

Ausgezeichnetes Oberflächenfinish

Die fortschreitende Schneidwirkung des Räumens — mit Vorrauh-, Halbfertig- und Fertigbearbeitungszähnen am selben Werkzeug — erzeugt eine Oberflächenbeschaffenheit, die oft die Notwendigkeit für sekundäre Nachbearbeitungsvorgänge wie Schleifen oder Polieren eliminiert. Die Fertigbearbeitungszähne an einer Räummaschine sind mit geringer Schnitttiefe und feinen Vorhaltwinkeln ausgelegt, wodurch eine glatte Oberflächenbeschaffenheit entsteht. Für Luft- und Raumfahrtbefestigungen, bei denen die Oberflächenrauhigkeit die Spannungskonzentration und die Ermüdungsleistung beeinflussen kann, ist die Fähigkeit, Oberflächen von 8 bis 16 Mikrozoll Ra direkt aus dem Räumvorgang zu erzielen, ein wesentlicher Vorteil.

Arten von Räumarbeiten in der Luft- und Raumfahrtverschlussproduktion verwendet

Je nach spezifischem Befestigungsdesign und den herzustellenden Merkmalen werden unterschiedliche Räumtechniken eingesetzt, wobei die drei Hauptkategorien Linearräumen, Rotationsräumen und Oberflächenräumen jeweils mit unterschiedlichen Anwendungen und Vorteilen sind.

Lineares Räumen für interne Merkmale

Das lineare Räumen, auch als Durchräumen oder Ziehräumen bekannt, ist das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Innenmerkmalen in Luft- und Raumfahrtbefestigungen. Dabei wird das Werkstück in einer Vorrichtung eingespannt und das Räumwerkzeug geradlinig durch das Werkstück gezogen oder geschoben. Das Werkzeug wird mit einer Reihe von zunehmend größeren Schneidzähnen ausgeführt, die Material schrittweise bis zur endgültigen Form und Größe entfernen. Das lineare Räumen wird verwendet, um interne Antriebsausnehmungen (Sechskant, Torx, Quadrat), Keilkanäle, Keilverzahnungen und andere geformte Löcher zu erzeugen.

Die Wahl zwischen Schubräumen und Zugräumen hängt von der Maschinenkonstruktion und der Zugänglichkeit des Teils ab. Für interne Merkmale von Befestigungselementen ist das Zugräumen häufiger, weil es eine bessere Kontrolle der Schneidwirkung und der Spanabfuhr bietet. Das Räumwerkzeug wird typischerweise aus Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS) oder Hartmetall mit Beschichtungen wie TiAlN oder AlCrN hergestellt, um die Verschleißfestigkeit und Schmierfähigkeit zu verbessern.

Rotationsräumarbeiten für äußere und innere Formen

Das Rotationsräumen ist ein Verfahren, bei dem Rotations- und Axialvorschub kombiniert werden, um sowohl innere als auch äußere Formen zu erzeugen, wobei das Räumwerkzeug während des Einfahrens in das Werkstück rotiert und die Schneidwirkung nicht linear, sondern kontinuierlich ist. Das Rotationsräumen ist besonders geeignet, um Sechskant-, Vierkant- oder andere polygonale Formen an den Enden von Befestigungselementen zu erzeugen, sowie um interne Antriebsausnehmungen mit einem glatten, polierten Finish zu erzeugen.

Eines der Hauptvorteile des Rundräumens ist, dass es an üblichen CNC-Drehmaschinen oder Drehzentren durchgeführt werden kann, wodurch eine eigene Räummaschine entfällt. Das Rundräumen ist in einer speziellen Halterung gehalten, die es dem Werkzeug ermöglicht, sich nach der Drehung des Werkstücks frei zu drehen. Da das Werkzeug in das stationäre Werkstück eingeführt wird, schafft die Kombination von Rotation und axialem Vorschub die gewünschte Form. Bei Luft- und Raumfahrtbefestigungen wird das Rundräumen häufig zur Herstellung von Innensechskantaufnahmen in Bolzen und Schrauben sowie zur Schaffung von Außensechskant- oder sternförmigen Elementen an Muttern und Befestigungen verwendet.

Das Rotationsräumen bietet mehrere Vorteile. Das Verfahren erzeugt eine qualitativ hochwertige Oberflächengüte aufgrund der Wischwirkung des rotierenden Werkzeugs und kann Teile mit ausgezeichneter Rundlaufigkeit herstellen. Es eignet sich auch für kleine bis mittlere Losgrößen, da Werkzeugwechsel schnell sind und der Prozess in bestehende Bearbeitungsprozesse integriert werden kann. Das Rotationsräumen ist jedoch im Allgemeinen auf flachere Merkmale (in der Regel weniger als 2: 1 Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnis) im Vergleich zum Linearräumen beschränkt.

Oberflächenräumung für externe Merkmale

Das Räumen von Oberflächen, auch Flachräumen oder Plattenräumen genannt, dient zur Erzeugung von äußeren Merkmalen wie Flachräumen, Schlitzen, Keilnuten oder konturierten Oberflächen an der Außenseite eines Befestigungselements. Dabei bewegt sich das Räumwerkzeug linear über die Oberfläche des Werkstücks und entfernt Material in einem einzigen Durchgang. Das Räumen kann auf speziellen Räummaschinen oder auf einigen Arten von CNC-Fräsmaschinen mit Räumvorsätzen durchgeführt werden.

Bei Befestigungselementen für die Luft- und Raumfahrt werden durch Oberflächenräumungen Verriegelungsmerkmale wie Kasten an Muttern, hinterschnittene Nuten für Halteringe und geformte Oberflächen an Schraubenköpfen geschaffen. Sie werden auch zur Herstellung von Schraubenräumflächen verwendet, die eine präzise und wiederholbare Geometrie bieten, die einen ordnungsgemäßen Werkzeugeingriff bei der Montage gewährleistet. Das Oberflächenräumen ist insbesondere für Teile geeignet, die mehrere parallele oder abgewinkelte Abflachungen erfordern, da das Räumwerkzeug mit mehreren Schneidabschnitten ausgeführt werden kann, um alle Merkmale in einem Durchgang zu erzeugen.

Spiral- und Helical-Richting für fortgeschrittene Anwendungen

Bei bestimmten Hochleistungs-Luft- und Raumfahrtbefestigungen, wie sie in Turbinentriebwerken oder anderen rotierenden Baugruppen verwendet werden, wird das spiralförmige oder helikale Räumen zur Herstellung von Schraubenverzahnungen, Gewinden oder Nockenflächen verwendet. Das spiralförmige Räumen umfasst eine Kombination von axialer und rotatorischer Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, wodurch eine helikale Schneidbahn erzeugt wird. Dieses Verfahren ist komplexer als das lineare oder rotatorische Räumen und erfordert spezielle Maschinen mit koordinierter Bewegungssteuerung. Es ermöglicht jedoch die Herstellung von helikalen Merkmalen, die mit herkömmlichen Verfahren schwierig oder unmöglich zu erzeugen wären, und dies mit der Präzision und Oberflächengüte, die für das Räumen charakteristisch ist.

Das schraubenförmige Räumen wird üblicherweise für Befestigungsteile verwendet, die über schraubenförmige Schnittstellen mit den entsprechenden Teilen in Eingriff kommen müssen, wie Schnellverschlüsse, Verriegelungsmechanismen und Verzahnungen mit variablem Abstand. Das Verfahren kann sowohl auf interne als auch auf externe Merkmale angewendet werden und bietet die gleichen Vorteile der Single-Pass-Verarbeitung und hohe Maßgenauigkeit wie das herkömmliche Räumen.

Broaching vs. Alternative Methoden

Das Räumen ist zwar ein hochwirksames Verfahren für die Herstellung von Luft- und Raumfahrtverschluss, aber nicht das einzige verfügbare Verfahren. Andere Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Bohren, Draht-EDM und Schleifen können ähnliche Merkmale mit jeweils unterschiedlichen Kompromissen in Bezug auf Kosten, Geschwindigkeit, Präzision und Oberflächenqualität erzeugen.

Räumarbeiten vs. Fräsen

Das Fräsen ist ein flexibles Verfahren, das eine Vielzahl von Merkmalen mit Standardwerkzeugen erzeugen kann. Für kleine Losgrößen oder Prototypen ist das Fräsen oft wirtschaftlicher als das Räumen, da es keine speziell gemahlenen Räumwerkzeuge erfordert. Für mittlere bis hohe Produktionsvolumina ist das Räumen jedoch wesentlich schneller und konsistenter. Eine CNC-Fräse kann 30 Sekunden bis 2 Minuten dauern, um eine Sechskantantriebsausnehmung mit einer Spiralinterpolation oder einem spezialisierten Sechskant-Schädelfräser herzustellen, während ein Räumvorgang das gleiche Merkmal in 3 bis 10 Sekunden abschließen kann. Darüber hinaus erzeugt das Räumen eine konsistentere Geometrie über mehrere Teile hinweg, da das Werkzeug die Form direkt definiert, während das Fräsen Werkzeugauslenkung, Weginterpolationsfehlern und Verschleißmustern unterliegt.

Broaching vs. Wire EDM

Die Drahterosionsbearbeitung (EDM) ist in der Lage, extrem präzise Innen- und Außenformen in leitfähigen Materialien mit Toleranzen von bis zu 0,005 mm zu erzeugen. Draht-EDM ist jedoch ein viel langsamerer Prozess als das Räumen, mit Schneidgeschwindigkeiten, die in Quadratzoll pro Stunde statt in Teilen pro Minute gemessen werden. Sie erzeugt auch eine Neufassungsschicht auf der Schnittoberfläche, die für ermüdungskritische Anwendungen entfernt werden muss. In der Luft- und Raumfahrt ist Draht-EDM typischerweise für sehr kleine Chargen, Prototypenarbeiten oder Merkmale reserviert, die mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen nicht hergestellt werden können. Für Produktionsvolumina über einigen hundert Teilen ist Räumen fast immer die bevorzugte Wahl.

Broaching vs. Grinding

Das Schleifen kann Oberflächen mit extrem feinen Oberflächen und engen Toleranzen, oft bis zu 0,0001 Zoll oder besser, erzeugen. Das Schleifen ist jedoch in erster Linie ein Finishing-Prozess und eignet sich nicht gut für die Herstellung komplexer Innenformen in einem einzigen Arbeitsgang. Für Befestigungselemente wie Antriebsausnehmungen oder Keilverzahnungen würde das Schleifen mehrere Einstellungen und Operationen erfordern, was es langsam und teuer für Produktionsmengen macht.

Broaching vs. Cold Forming

Kaltumformung (auch Kaltpressung genannt) ist ein gängiges Verfahren zur Herstellung von Befestigungsrohlingen und einigen Merkmalen wie Antriebsausnehmungen. Kaltumformung ist hochproduktiv und kann eine ausgezeichnete Materialausnutzung und mechanische Eigenschaften erzielen. Kaltumformung hat jedoch Einschränkungen hinsichtlich Geometriekomplexität und Maßkontrolle. Bei Merkmalen mit engen Toleranzen oder komplexen Formen schließt sich oft ein Räumvorgang an, um die endgültigen Abmessungen und Oberflächengüte zu erreichen. In vielen Fertigungslinien für Luft- und Raumfahrtverschluss wird Kaltumformung für die Erstformung des Befestigungselements verwendet, während Räumung für die endgültigen Detailmerkmale verwendet wird, die höchste Präzision erfordern.

Materialien und Herausforderungen im Luft- und Raumfahrt-Befestigungsräumverfahren

Das Räumen von Luft- und Raumfahrtbefestigungen stellt aufgrund der Eigenschaften der beteiligten Materialien einzigartige Herausforderungen dar, die für die Erreichung einer gleichbleibenden Qualität und akzeptablen Standzeit der Werkzeuge unerlässlich sind, um diese Herausforderungen zu verstehen und geeignete Strategien umzusetzen.

Titanlegierungen

Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V und Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo werden in der Luft- und Raumfahrt wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit weit verbreitet eingesetzt. Titan ist jedoch wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit, die Wärme an der Schneide konzentriert und seine Neigung zu Gallen und Abschmieren verursacht, schwierig zu bearbeiten. Beim Räumen kann dies zu einer aufgebauten Kantenbildung, hohen Schneidkräften und vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen. Effektives Räumen von Titan erfordert scharfe Schneiden, positive Spanwinkel, Hochdruck-Kühlmittelzufuhr und Beschichtungen, die Reibung und Wärmeentwicklung reduzieren. Werkzeuge, die mit TiAlN oder AlCrN beschichtet sind, leisten gute Arbeit, und die Verwendung von Hochdruck-Öl-basierten Kühlmitteln hilft, die Schneidzone zu schmieren und Späne zu evakuieren. Schneidgeschwindigkeiten für das Räumen von Titan liegen typischerweise im Bereich von 10 bis 30 Fuß pro Minute (3 bis 9 Meter pro Minute), mit Vorschub pro Zahn von 0,001 bis 0,003 Zoll (0,025 bis 0,076 mm).

Nickelbasierte Superlegierungen

Nickelbasierte Superlegierungen wie Inconel 718, Waspaloy und René 88 werden in Hochtemperaturverschlussanwendungen, insbesondere in Turbinentriebwerken, eingesetzt. Diese Materialien behalten eine hohe Festigkeit bis zu 1200°F (650°C) und sind sehr widerstandsfähig gegen thermische Erweichung. Sie weisen jedoch auch eine starke Arbeitshärtung auf und enthalten abrasive Hartmetallpartikel, die den Werkzeugverschleiß beschleunigen. Das Anstreichen dieser Materialien erfordert robuste Werkzeugmaterialien - oft Hartmetall oder Pulver-Metall-Hochgeschwindigkeitsstahl - und eine sorgfältige Kontrolle der Schneidparameter. Schneidgeschwindigkeiten sind typischerweise niedriger als bei Titan im Bereich von 5 bis 20 Fuß pro Minute (1,5 bis 6 Meter pro Minute), und aggressive Spanevakuierung ist entscheidend, um ein Nachschneiden von gehärteten Späne zu vermeiden. Die Verwendung von Hochdruck-Kühlmittel durch den Werkzeughalter und spezielle Spanbrechergeometrien an den Räumzähnen kann die Prozesssicherheit verbessern.

Edelstähle und Fällungslegierungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von oberflächenhärtenden Edelstählen, wie etwa 17-4 PH, 15-5 PH und A286, die in Luft- und Raumfahrtbefestigungen für ihre Kombination aus hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit üblich sind. Diese Materialien sind besser bearbeitbar als Titan- oder Nickel-Superlegierungen, können jedoch aufgrund ihrer Neigung zur Härten und ihrer Abrasivität immer noch Herausforderungen beim Räumen darstellen. Die richtige Werkzeuggeometrie, scharfe Schneidkanten und eine ausreichende Kühlmittelzufuhr sind wichtig, um eine gute Oberflächengüte und Standzeit zu erzielen.

Tool Wear und Tool Life

Die meisten Verschleißmechanismen beim Räumen von Luft- und Raumfahrtlegierungen sind Abrasivverschleiß, Haftverschleiß (Galling) und thermisches Ermüdungsriss. Die Lebensdauer des Räumwerkzeugs wird typischerweise anhand der Anzahl der Teile gemessen, die vor dem Nachschärfen des Werkzeugs hergestellt werden müssen. Bei Werkzeugstählen kann die Lebensdauer von einigen hundert Teilen bis zu mehreren tausend Teilen variieren, je nach Material, Schneidparametern und Werkzeugdesign. Hartmetallwerkzeuge können eine längere Lebensdauer erzielen, sind jedoch anfälliger für Spanungen und sind teurer zu schleifen. Eine ordnungsgemäße Wartung des Werkzeugs, einschließlich regelmäßiger Inspektionen und Nachschärfen zur Wiederherstellung der ursprünglichen Zahngeometrie, ist für die Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Teilequalität und die Maximierung der Lebensdauer des Werkzeugs.

Chip-Kontrolle und Evakuierung

Die Räumung von Span ist eine große Herausforderung beim Räumen, insbesondere bei tiefen Inneneigenschaften und bei Materialien, die lange, zähe Späne erzeugen. Schlechter Spanabtransport kann zu Spanpackungen, Ritzen der fertigen Oberfläche, Werkzeugbeschädigungen und sogar Werkzeugbruch führen. Räumwerkzeuge sind mit Zahnlücken zwischen den Zähnen ausgelegt, die so bemessen sind, dass sie das von jedem Zahn erzeugte Spanvolumen aufnehmen. Bei Luft- und Raumfahrtlegierungen, bei denen Späne zäh und abrasiv sein können, ist es üblich, Spanspalten an den Zähnen zu verwenden, um die Spansegmentierung zu fördern. Hochdruckkühlmittel durch den Werkzeughalter hilft dabei, Späne aus der Schneidzone zu spülen. In einigen Fällen werden Vakuumsysteme oder mechanische Spanförderer verwendet, um Späne aus dem Maschinenbereich zu entfernen.

Qualitätskontrolle und Standards in der Luft- und Raumfahrt Verbindungsräumung

Die Luft- und Raumfahrtindustrie arbeitet nach einem strengen System von Qualitätsstandards, die für alle Aspekte der Herstellung von Verbindungselementen, einschließlich der Räumung, gelten.

AS9100 und Nadcap Zertifizierung

AS9100 ist der internationale Qualitätsmanagementstandard für die Luft- und Raumfahrtindustrie, der alle ISO 9001-Anforderungen mit zusätzlichen luft- und luftfahrtspezifischen Kriterien enthält. Broaching-Operationen müssen im Rahmen eines AS9100-zertifizierten Qualitätsmanagementsystems durchgeführt werden, das dokumentierte Verfahren für Prozesskontrolle, Werkzeugmanagement, Inspektion und Korrekturmaßnahmen umfasst. Nadcap (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program) bietet eine separate Akkreditierung für spezielle Prozesse, einschließlich Bearbeitung und Räumung. Nadcap-Akkreditierung umfasst detaillierte Audits von Prozesskontrollen, Ausrüstungskalibrierung, Personalschulung und Qualitätsaufzeichnungen. Viele Luftfahrtunternehmen verlangen von ihren Verbindungslieferanten, dass sie die Nadcap-Akkreditierung für Räumarbeiten beibehalten.

Maß- und Oberflächeninspektion

Die Abmessungen von Luft- und Raumfahrtbefestigungselementen werden strengen Inspektionen unterzogen, um die Einhaltung der Spezifikationen zu gewährleisten. Die Dimensionskontrolle wird typischerweise mit Koordinatenmessmaschinen (CMM), optischen Komparatoren und speziellen Messinstrumenten wie Steckmessgeräten, Ringmessgeräten und Profilprojektoren durchgeführt. Bei internen Antriebsausnehmungen werden häufig Messinstrumente verwendet, die das tatsächliche Drehmomentwerkzeug simulieren, um zu überprüfen, ob die Aussparung das Werkzeug ohne Störungen aufnehmen kann und die erforderliche Drehmomentübertragung gewährleistet. Die Oberflächenbeschaffenheit wird mit Profilometern oder Vergleichsstandards gemessen, wobei für die meisten Befestigungselemente typische Anforderungen von 16 bis 32 Mikrozoll Ra gelten. Für ermüdungskritische Anwendungen kann die Oberflächenrauhigkeit mit 8 Mikrozoll Ra oder besser angegeben werden.

Zerstörungsfreie Prüfung

Räumbare Befestigungselemente können zerstörungsfrei geprüft werden, um Oberflächen- oder Untergrundfehler festzustellen, die die Leistung beeinträchtigen könnten. Übliche zerstörungsfreie Prüfverfahren sind die Magnetpartikelprüfung (bei ferromagnetischen Materialien), die Fluoreszenz-Durchdringungskontrolle (bei Nichteisenwerkstoffen und rostfreien Stählen) und die Wirbelstromprüfung (bei leitfähigen Materialien). Diese Prüfungen können Risse, Überlappungen, Vertiefungen oder andere Anomalien aufdecken, die beim Räumen oder bei früheren Operationen aufgetreten sein können. Bei kritischen Befestigungselementen kann eine Prüfung durch zerstörungsfreie Prüfung zu 100 % erforderlich sein, wobei die Annahmekriterien in der jeweiligen Spezifikation festgelegt sind (z. B. AMS 2645 für die Durchdringungskontrolle).

Prozesskontrolle und Capability Studies

Um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, müssen Räumvorgänge durch statistische Prozesssteuerungsverfahren (SPC) gesteuert werden. Prozessfähigkeitsstudien (Ppk und Cpk) werden durchgeführt, um zu überprüfen, ob der Prozess die Toleranzanforderungen konsistent erfüllen kann. Bei kritischen Merkmalen sind typischerweise Leistungsindizes von 1,33 oder höher erforderlich. Kontrollparameter wie Schneidgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Kühlmitteldurchsatz und Werkzeugverschleiß werden überwacht und aufgezeichnet. Automatische Werkzeugkompensationssysteme können bei fortschrittlichen Räummaschinen verwendet werden, um den Werkzeugverschleiß anzupassen und die Dimensionsstabilität über lange Produktionsläufe hinweg aufrechtzuerhalten.

Tool Management und Regrinding

Die Werkzeuge werden nach jedem Mahlvorgang überprüft, um die Geometrie, Schärfe und Beschichtbarkeit der Zähne zu überprüfen. Ein Werkzeugmanagementsystem stellt sicher, dass die Werkzeuge aus der Produktion gezogen werden, bevor sie das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, wodurch Qualitätsprobleme durch übermäßigen Verschleiß vermieden werden. Der Mahlvorgang selbst muss so gesteuert werden, dass das korrekte Zahnprofil, die Freiwinkel und die Oberflächenbeschaffenheit der Schneidkanten erhalten bleiben.

Die Räumtechnologie entwickelt sich weiter, angetrieben von der Notwendigkeit einer höheren Produktivität, verbesserter Qualität und der Fähigkeit, neue Materialien und Geometrien zu handhaben. Mehrere Trends prägen die Zukunft des Räumens in der Fertigung von Verbindungselementen in der Luft- und Raumfahrt.

CNC- und Servo-gesteuerte Räummaschinen

Moderne Räummaschinen sind zunehmend mit CNC-Steuerungen und servogetriebenen Achsen ausgestattet, was eine größere Flexibilität und Steuerung im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen oder mechanischen Maschinen bietet. CNC-Räummaschinen können für variable Hublängen, unterschiedliche Schnittgeschwindigkeiten beim Schruppieren und Fertigstellen und eine präzise Positionierung des Werkstücks programmiert werden. Dies ermöglicht optimierte Schnittbedingungen, die die Lebensdauer und Oberflächenqualität des Werkzeugs maximieren. Einige Maschinen enthalten adaptive Steuerungssysteme, die Schneidkräfte in Echtzeit überwachen und Vorschubgeschwindigkeiten einstellen, um eine gleichbleibende Belastung zu erhalten. Die Integration von CNC-Steuerungen ermöglicht auch komplexere Räumvorgänge, wie z. B. Schrauben- oder Spiralräumvorgänge, bei denen eine synchronisierte Bewegung mehrerer Achsen erforderlich ist.

Hochgeschwindigkeits- und Ultraschall-unterstütztes Reden

Die Forschung an Hochgeschwindigkeitsräumarbeiten und ultraschallunterstütztem Räumen als Methoden zur Verbesserung der Produktivität und zur Verringerung der Schneidkräfte in schwer zu bearbeitenden Materialien wird fortgesetzt. Ultraschallunterstütztes Räumen wendet hochfrequente Vibrationen (normalerweise 20 bis 40 kHz) auf das Schneidwerkzeug oder Werkstück an, wodurch die Reibung verringert und die Spanbildung gefördert wird. Studien haben gezeigt, dass Ultraschallunterstützung die Schneidkräfte um 20 bis 40 Prozent reduzieren, die Oberflächenbeschaffenheit verbessern und die Lebensdauer des Werkzeugs beim Räumen von Titan und Nickellegierungen verlängern kann. Diese Technologien sind zwar noch nicht weit verbreitet in der Produktion, aber sie sind vielversprechend für die Erweiterung der Möglichkeiten des Räumens in der Luft- und Raumfahrt.

Hybrid- und kombinierte Prozesse

Hybrid-Herstellungsansätze, die das Räumen mit anderen Prozessen in einer einzigen Maschine oder Zelle kombinieren, gewinnen an Aufmerksamkeit. Zum Beispiel integrieren einige Hersteller das Räumen mit Laserreinigung oder Wärmebehandlung, um einen nahtlosen Produktionsfluss zu schaffen. Andere Hybridsysteme kombinieren das Räumen mit Kaltumformung oder Schmieden, bei dem die raue Form durch Umformen erzeugt wird und die endgültigen Merkmale durch Räumen vervollständigt werden. Diese Kombination nutzt die Produktivität des Umformens mit der Präzision des Räumens und bietet eine kostengünstige Lösung für die Herstellung von hochvolumigen Verbindungselementen. Der Trend zu Multiprozessmaschinen und automatisierten Zellen wird durch die Nachfrage der Luft- und Raumfahrtindustrie nach schlanker Fertigung und reduzierten Durchlaufzeiten angetrieben.

Fortschritte in Werkzeugmaterialien und Beschichtungen

Die Entwicklung von Werkzeugmaterial erweitert die Grenzen der Räumleistung. Neue Hartmetallsorten, einschließlich Submikron- und nanostrukturierte Hartmetalle, bieten eine verbesserte Härte und Zähigkeit beim Schneiden von Schleiflegierungen. Überharte Materialien wie kubisches Bornitrid (CBN) und polykristalliner Diamant (PCD) werden für Räumanwendungen, insbesondere für Nichteisenwerkstoffe und gehärtete Stähle, evaluiert. Obwohl CBN- und PCD-Räumungen teuer sind, können sie in geeigneten Anwendungen eine dramatisch längere Standzeit und höhere Schneidgeschwindigkeiten erzielen. Fortschritte in der Beschichtungstechnologie — einschließlich Mehrschichtbeschichtungen, Gradientenbeschichtungen und diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC) Beschichtungen — verbessern auch die Werkzeugleistung durch Verringerung von Reibung und Verschleiß. Diese Entwicklungen sind besonders vorteilhaft für das Räumen von Titan- und Nickellegierungen, bei denen der Werkzeugverschleiß eine wichtige Einschränkung darstellt.

Schlussfolgerung

Das Räumen ist nach wie vor ein wichtiger Prozess bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtbefestigungen und bietet die Präzision, Effizienz und Qualität, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie erforderlich sind. Von internen Antriebsausnehmungen und Keilverzahnungen bis hin zu komplexen Außengeometrien bietet das Räumen eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Herstellung von Merkmalen, die die anspruchsvollsten Standards in Bezug auf Maßgenauigkeit, Oberflächengüte und Ermüdungsleistung erfüllen müssen. Das Verfahren eignet sich in einzigartiger Weise für die anspruchsvollen Materialien, die in Luft- und Raumfahrtbefestigungen verwendet werden, einschließlich Titanlegierungen, Nickelbasis-Superlegierungen und ausscheidungshärtenden Edelstählen.

Während alternative Methoden wie Fräsen, Draht-EDM und Schleifen ihren Platz in der Verbindungsherstellung haben, bietet Räumen zwingende Vorteile für mittlere bis hohe Produktionsvolumina, einschließlich hoher Geschwindigkeit, hervorragender Wiederholbarkeit und der Fähigkeit, komplexe Geometrien in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen. Da sich die Räumtechnologie weiterentwickelt - mit Fortschritten bei der CNC-Steuerung, Werkzeugmaterialien, Beschichtungen und Hybridprozessen - wird ihre Rolle in der Herstellung von Verbindungselementen in der Luft- und Raumfahrt wahrscheinlich weiter expandieren. Für Hersteller, die in die Fähigkeiten und das Know-how investieren, die für eine effektive Implementierung des Räumens erforderlich sind, bleibt es ein Eckpfeiler der wettbewerbsfähigen Herstellung von Verbindungselementen in der Luft- und Raumfahrt, so dass sie die ständig steigenden Anforderungen der Branche an Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz erfüllen können.