Wie das Polieren von Metallen die Lebensdauer deutlich verbessern kann

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Auf den ersten Blick erscheint die Maschinenhalle im Hintergrund von Lambda Technologies, einem in Cincinnati ansässigen Produktionsunternehmen, ziemlich durchschnittlich. Es verfügt über eine Reihe von vertikalen Bearbeitungszentren (VMCs), die beim geschäftigen Springen der Arbeiter von Station zu Station wegwirbeln. Im Vergleich zu den meisten Geschäften ist es jedoch relativ ruhig. Das liegt daran, dass die Mehrheit der VMCs nicht wirklich Material schneidet.

Dabei wird das Summen von in Metall schneidenden Schneidwerkzeugen durch das vergleichsweise gedämpfte Surren der Hydraulik ersetzt. Ein scharfer Blick könnte auch bemerken, dass die Steuerungen für diese Maschinen keines der Logos der großen CNC-Hersteller tragen. Sie sind, wie die Hydraulikpumpen an den modifizierten Fünfachsenmaschinen, Sonderanfertigungen, die das Unternehmen im Laufe der Jahre für das charakteristische Metallveredelungsverfahren entwickelt hat, das es seinen Kunden anbietet: das Polieren mit niedriger Plastizität (LPB).

LPB ist ein Polierprozess, bei dem der Druck auf das Werkstück mit einem hydrostatischen Wälzlagerwerkzeug eigener Konstruktion von Lambda die Fließgrenze des Materials knapp überschreitet. Der Prozess erfordert umfangreiche metallurgische Kenntnisse sowie eine präzise Steuerung der Positionierung und des Drucks der Polierwerkzeuge. Durch die Aufrechterhaltung dieses Know-hows konnte Lambda die Lebensdauer von Teilen deutlich verlängern, ohne die Form oder Toleranz des Teils wesentlich zu verändern. Obwohl es sich nicht um ein neues Verfahren handelt, hat sich die LPB in den letzten Jahren bewährt und sogar die Zulassung der Federal Aviation Administration (FAA) für die Reparatur und Änderung von kommerziellen Flugzeugkomponenten erreicht.

Laut Lambda Operations Manager Michael Prevéy entstand die Idee für das Oberflächenbehandlungssystem des Unternehmens während einer Familienreise nach Disney World in den 90er Jahren. Mit Blick auf den See im Zentrum von Epcot sah sein Vater, CEO und Direktor des Unternehmens Paul Prevéy, die geodätische Kuppel des Raumschiffs Erde über dem Wasser ragen. Ausgehend von diesem Bild konzipierte und entwickelte er die Idee seines hydrostatischen Polierwerkzeugs.

Der ältere Herr Prevéy gründete das Unternehmen 1977 gemeinsam mit Professor B. D. Cullity, einem Experten für den industriellen Einsatz der Röntgentechnologie, als Lambda-Forschungsgruppe. Sie spezialisierte sich zunächst auf die Materialprüfung mit Röntgenbeugung und anderen Technologien und konzentrierte sich dabei vor allem auf die Messung der Eigenspannung in Metallen und Keramiken. In den späten 90er Jahren begann Herr Prevéy mit der Entwicklung von Oberflächenbehandlungslösungen, die auf dem institutionellen Wissen des Unternehmens über Materialspannungen basieren.

Das Polierwerkzeug, das an diesem Tag bei Disney vorgestellt wurde, ist ein hydrostatisches Rolliergerät. Das Kühlmittel wird durch die Spindel der Werkzeugmaschine in das Werkzeug gepumpt, um das Wälzlager mit Hilfe eines hauseigenen Hydrauliksystems und eines speziellen Werkzeughalters zu halten. Das Unternehmen sagt, dass ein konstanter Druck, der die Position des Lagers beibehält, es dem Prozess ermöglicht, eine hohe Poliergenauigkeit zu erreichen. Nach der Entwicklung des LPB-Verfahrens gründete der ältere Herr Pevéy dann eine zweite Abteilung, Surface Enhancement Technologies, um sie umzusetzen. Durch diese Abteilung beauftragt Lambda andere Unternehmen mit der Durchführung von LPB-Operationen an Teilen sowie mit dem Verkauf und der Vermietung von Polierwerkzeugen an Kunden, die über ein hohes Teilvolumen verfügen, um eine Werkzeugmaschine der wirtschaftlichen Polierung zu widmen.

Die "Plastizität" beim "plastischen Polieren" bezieht sich auf die plastische Verformung. Lassen Sie uns eine kurze Physikstunde nehmen: Unter Verformung versteht man Veränderungen in der Form eines unter Druck stehenden Objekts. Feste Objekte sind sowohl zur elastischen als auch zur plastischen Verformung geeignet, wobei das Objekt unter elastischer Verformung in seine ursprüngliche Form zurückkehrt und unter plastischer Verformung seine ursprüngliche Form verliert. Materialien werden wieder in Form gebracht, es sei denn, der angewandte Druck ist groß genug, um die Schwelle zur plastischen Verformung oder Fließgrenze zu überschreiten.

Wie andere Polierverfahren verstärkt LPB ein Teil, indem es eine Metallschicht so zusammendrückt, dass sie Ermüdungserscheinungen widersteht und verhindert, dass sich Risse tiefer im Teil bilden. Dank der Präzision des hydrostatischen Rollierwerkzeugs des Unternehmens ist es in der Lage, gerade so viel Druck auszuüben, dass die Streckgrenze um ein entsprechendes Maß leicht überschritten wird.

Durch die Ausübung dieses Kontrollgrades vermeidet das Werkzeug das Brechen der Kristallgitter des Materials. Dies ist wichtig, da gebrochene Kristallgitter, die durch andere Oberflächenbehandlungen wie das Kugelstrahlen verursacht werden können, unter Einwirkung hoher Temperaturen wieder zur Normalität zurückkehren können und die Vorteile der Oberflächenbehandlung verlieren. Darüber hinaus ist das Polierwerkzeug für jede CNC-gesteuerte Maschine ausgelegt, einschließlich Roboter, Bearbeitungszentren, Drehmaschinen und sogar fünfachsige Werkzeugmaschinen. Dadurch ist das Unternehmen in der Lage, Teile mit komplexer, konturierter Geometrie an den schwächsten Stellen zu verstärken

Die Entwicklung eines LPB-Prozesses für eine bestimmte Anwendung erfordert ein tiefes Verständnis des Materials. Dr. N. Jayaraman, der einen Abschluss in Metallurgie und Physik hat, arbeitet mit Lambda als Materialexperte zusammen. "Das Ziel von LPB ist es, die Eigenspannungen im Bauteil zu formen, um zu verhindern, dass sich Risse bilden können", sagt er. "Um dies effektiv zu tun, muss man die Fließgrenze eines jeden Materials kennen, mit dem man arbeitet." Da das Unternehmen Ressourcen für das Verständnis der Materialeigenschaften vieler Legierungen einsetzt, kann es eine Vielzahl von Metallen polieren, einschließlich schwer zerspanbarer Metalle wie Titan und Inconel.

Laut Michael Prevéy ist das Verständnis von Stress entscheidend für die Vorgehensweise bei einer Polieranwendung. "Die von uns erzeugte Kompression erzeugt eine ausgleichende Spannung im Rest des Teils", sagt er. "Das bedeutet, dass der von uns verursachte Stress gleichmäßig über das Volumen der nicht komprimierten Bereiche verteilt ist." Mit zunehmender Spannungsausbreitung, je größer das Volumen des Bauteils, desto geringer ist die Konzentration der in der Unterschicht vorhandenen Spannung. Umgekehrt verteilen kleinvolumige Teile die Spannung nicht so stark.

Um die Spannungen des Teils zu verstehen, führt Lambda eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) durch. "Wir führen einen vollständigen Scan und eine FEA des Teils durch", sagt Herr Prevéy. "Damit können wir uns die Größe und Lage der Bauteilspannungen ansehen, um zu verstehen, wo das Polieren am besten funktioniert." Um noch weiter zu gehen, sagt Herr Prevéy, dass das Unternehmen die Spannungsmuster im Teil modellieren kann, unterstützt durch die mehrachsigen Fähigkeiten des Poliervorgangs. Durch die dreidimensionale Abbildung der Spannungen kann nach Angaben des Unternehmens die Lebensdauer vieler Teile um den Faktor 1.000 verlängert werden.

Während Lambda seine LPB-Werkzeuge verkauft und vermietet, führt das Unternehmen in der Regel die Polierarbeiten für die Kunden selbst auf seinen modifizierten VMCs durch. Es verwendet Voreinstellgeräte und Tastsysteme während des Einrichtens, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, und es musste eigene kundenspezifische Werkzeugwechsler entwickeln, um die Kundenanforderungen für bestimmte komplexe Teile zu erfüllen, die auf die Notwendigkeit ausgerichtet sind, das Werkzeug mit dem Hydrauliksystem zu verbinden. Da der LPB-Prozess nur Positionierung und Druck erfordert, ist das Unternehmen nicht auf einfache Geometrien beschränkt und kann je nach Anwendung sowohl Nass- als auch Trockenanwendungen durchführen.

Das Werkzeug besteht aus einer kundenspezifischen Spitze, die das Rollenlager und einen Körper enthält, der direkt in den Werkzeughalter und das Hydrauliksystem gesteckt wird. Die Hydraulikschläuche laufen durch den Körper, um Flüssigkeit zur Spitze zu leiten, die durch Einhaken oder Verlängern angepasst werden kann, um sie an selbst schwer zugängliche Geometrien anzupassen. Das Kühlmittel hält das Lager an seinem Platz, unabhängig vom Winkel der Spitze oder dem zum Polieren erforderlichen Druck. Während des Poliervorgangs rollt das Lager frei, während der hydraulische Druck es daran hindert, seine Position zu verschieben.

Lambda bearbeitet viele seiner LPB-Werkzeugkomponenten auf einer Reihe von Haas VMCs, die sich in der Nähe der modifizierten Poliermaschinen befinden. Viele der von ihr hergestellten Werkzeuge sind auf spezifische Anwendungen zugeschnitten, wie z.B. die Behandlung der Schaufeln der ersten Niederdruckverdichterstufe (LPC1) für die Pegasus-Triebwerke, die die Harrier-Jets AV-8B des US Marine Corps antreiben. Um die LPC1-Profile entlang der innenliegenden Hinterkante zu verstärken, entwickelte das Unternehmen ein nach hinten hängendes Polierwerkzeug, wobei das Kugellager nach hinten zum Werkzeughalter zeigt. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Werkzeug, hinter die aufgeweiteten Kanten des Profils zu greifen.

"Jeder Job, den wir erledigen, erfordert individuelle Arbeit", sagt Herr Prevéy. "Wir analysieren das Material und testen dann seine Spannungen. Danach planen wir Polierdurchgänge, die sie genau an den erforderlichen Stellen verstärken, und das kann bedeuten, dass wir ein maßgeschneidertes Werkzeug oder eine Werkstückaufnahme entwerfen, um diese Stellen zu erreichen." Die Ergebnisse sprechen jedoch laut, sagt Herr Prevéy. "Das letzte Mal, als ein von uns behandeltes Teil während eines Ermüdungstests brach, schlug eine Turbine an einem ganz anderen Ort ein, als der Kunde es sich wünschte", sagt er. "Anscheinend hatte das Teil nie lange genug gedauert, damit sich an dieser Stelle Risse bilden konnten."

Der LPB-Prozess ist nun von der FAA AMoC zertifiziert. Das Unternehmen erhielt diese Zertifizierung im Jahr 2013, nachdem Delta Air Lines sich mit ihr in Verbindung gesetzt hatte, als sich die Kosten für die Wartung des Hauptfahrwerks MD-88 zu stapeln begannen. Schwingungsbeanspruchung im Laufe der Zeit hatte zur Bildung von Rissen in vielen der MD-88 Federbeinzylinder geführt. Während Delta das Fahrwerk mit Dämpfungssystemen nachgerüstet hatte, um zukünftige Risse zu vermeiden, kostete es viel Zeit und Geld, sicherzustellen, dass die vorhandenen Risse keine Betriebsstörungen verursachten. Außerdem hätte der Austausch der Zylinder mehr als 80.000 Dollar pro Stück gekostet. Bei vielen Einheiten im Außendienst waren die Kosten prohibitiv.

Lambda arbeitete mit einem FAA Designated Engineering Representative zusammen, um die LPB-Behandlung für die MD-88-Zylinder durchzuführen und zu testen. Während der Tests erreichte oder übertraf Lambda die von der FAA gesetzten Ziele, und das Unternehmen entwickelte ein Robotersystem, das die Fahrwerkszylinder verarbeitet, ohne sie aus dem Flugzeug zu entfernen. Diese Leistung brachte dem Prozess eine AMoC-Zertifizierung ein, und Delta beauftragte Lambda mit der Behandlung der Federbeinzylinder. Laut Lambda hat Delta mehr als 10 Millionen Dollar an Inspektionskosten eingespart, ohne die potenziellen Kosten von Flugverspätungen und Ersatzteilen.