Titanium CNC-bewerking vir lugvaartstrukture

Titaniumlegerings bied beduidende uitdagings vir CNC-bewerking in lugvaartstruktuurtoepassings as gevolg van intrinsieke eienskappe soos lae termiese geleiding en hoë chemiese reaktiwiteit. Hierdie werk beskryf 'n gestruktureerde metodologie vir die optimering van CNC-bewerking van Ti-6Al-4V, met die fokus op die vermindering van gereedskapverslyting en die bereiking van streng geometriese toleransies. Bewerkingsproewe is uitgevoer deur gebruik te maak van multi-as CNC-sentrums wat toegerus is met gevorderde gereedskaptoestandmoniteringstelsels (TCM). Snyparameters (spoed, voer, diepte van sny) en gereedskapbaanstrategieë is sistematies gevarieer. Die resultate toon dat die implementering van gepulste kriogene koeling die gemiddelde flankverslyting met 42% verminder het in vergelyking met konvensionele vloedkoelvloeistof, terwyl aanpasbare trokoidale freessnede die bewerkingstyd met 18% verminder en die oppervlakgrofheid (Ra) met 15% verbeter het vir dunwandige komponente. Data-analise bevestig 'n sterk korrelasie tussen spesifieke sny-energie en progressiewe gereedskapverslyting. Hierdie bevindings verskaf bruikbare strategieë vir die verbetering van bewerkingsdoeltreffendheid en komponentkwaliteit vir kritieke lugvaartstrukture. Beperkings sluit in die fokus op Ti-6Al-4V; toepasbaarheid op ander titaangrades vereis verdere validasie.

1
Die onvermoeide soeke na prestasie en brandstofdoeltreffendheid in moderne lugvaartontwerp vereis die uitgebreide gebruik van titaanlegerings, veral Ti-6Al-4V. Hul uitstekende sterkte-tot-gewigverhouding en korrosiebestandheid maak hulle ideaal vir kritieke strukturele komponente soos landingsgestel, enjinmonterings en rompseksies [1]. Egter, dieselfde eienskappe - veral lae termiese geleiding, hoë sterkte by verhoogde temperature, en sterk chemiese affiniteit vir gereedskapmateriale - maak titaan berug omdat dit moeilik is om dit doeltreffend en presies te bewerk [2]. Uitdagings tree op as vinnige gereedskapverslyting, swak oppervlakintegriteit, moontlike werkstukvervorming (veral in dun seksies), en verhoogde produksiekoste [3]. Gevolglik bly die optimering van CNC-bewerkingsprosesse vir titaanlugvaartstrukture 'n kritieke industriële doelwit. Hierdie werk bied 'n praktiese metodologie en eksperimentele resultate wat gefokus is op die oorkomming van hierdie uitdagings deur parameteroptimering en innovatiewe koelstrategieë, met die doel om betroubare, koste-effektiewe produksieprotokolle te vestig.

2 Metodes
2.1 Eksperimentele Ontwerp & Werkstukmateriaal
Die kernmateriaal wat ondersoek is, was getemperde Ti-6Al-4V (Grade 5) plaat, wat voldoen het aan AMS 4911L-spesifikasies. Primêre masjineringsoperasies wat bestudeer is, was omtreksny (skors en afwerk) en sakwerking, wat tipiese lugvaartstrukturele kenmerke verteenwoordig. Werkstukke is veilig vasgemaak deur gebruik te maak van spesiaalontwikkelde vakuumklemme en strategiese meganiese klemming om vibrasie en deurbuiging te verminder, veral belangrik vir dunwand-geometrieë.

2.2 Masjineringsuitrusting & Gereedskap
Eksperimente is uitgevoer op 'n 5-assige DMG MORI DMU 80 eVo lineêre CNC-masjineringsentrum (40 kW spil, maksimum 18 000 tpm). Snygereedskap het die volgende ingesluit:

• Grofsnede: Massiewe tigtingsnyers (Ø10mm, 4-snydende, ZrN-gecoat) met veranderlike helix/pitch geometrie.

• Afwerking: Massiewe tigtingsnyers (Ø8mm & Ø6mm, 4-snydende, AlTiN-gecoat).
  Tangtoestand (syverslyt VBmax) is tydens die proses gemonitor deur 'n kombinasie van spindelkragverbruikanalise (Siemens Sinumerik 840D sl geïntegreerde monitering) en periodieke aflynmetings met behulp van 'n Keyence VHX-7000 digitale mikroskoop. Oppervlakgeriefheid (Ra, Rz) is gemeet deur gebruik te maak van 'n Mitutoyo Surftest SJ-410 profielmetingstoestel. Dimensionele akkuraatheid is geverifieer met 'n Zeiss CONTURA G2-koördinaatmeetmasjien (KMM).

2.3 Prosesveranderlikes & Data-inwinnings
Belangrike onafhanklike veranderlikes wat sistematies getoets is, sluit in:

• Snyspoed (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Voer per tand (fz): 0,04 mm/tand - 0,12 mm/tand

• Aksiale snydiepte (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (afwerk), 5 mm - 15 mm (skuurwerk)

• Radiale snydiepte (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (aanpasbare strategieë)

• Verkoelingsstrategie: Konvensionele vloedemulsie (6%), Pulsed kriogeniese vloeibare stikstof (LN2)

• Gereedskapspad-strategie: Konvensionele parallelle paaie, Aanpasbare trokoidale freessny.
  Die afhanklike veranderlikes wat gemeet is, was flankverslyt (VBmax), oppervlakgrofheid (Ra, Rz), spesifieke sny-energie (SCE), masjinerings tyd per kenmerk, en dimensionele afwyking op kritieke kenmerke (wanddikte, gaatjieposisie). Data-gelogging het plaasgevind direk vanaf die CNC-beheerstelsel (krag, draaimoment, tyd) en via offline metrologie. 'n Minimum van drie herhalings per toestand is uitgevoer.

3 Resultate en Ontleding
3.1 Gereedskapverslyt Prestasie
Flankverslytasie is aansienlik beïnvloed deur die verkoelingsstrategie en snyspoed. Figuur 1 illustreer die oorheersende neiging: deur gepulste kriogeniese LN2-verkoeling toe te pas, is die gereedskapverslyt aansienlik verminder oor alle getoetste snyspoede in vergelyking met konvensionele vloed-emulsie. By die gemiddelde spoed (60 m/min) is die gemiddelde VBmax na die masjien van 'n gestandaardiseerde volume materiaal met 42% verminder deur kriogeniese verkoeling te gebruik. Hoë snyspoede (80 m/min) onder vloedverkoeling het gelei tot katastrofiese gereedskapverspiling (afbrokkeling) binne 'n kort tydperk, terwyl kriogeniese verkoeling volgehoue masjienwerk moontlik gemaak het, al was die verslytasie vinniger as by laer spoede. Die analise van die spindelkragte het sterk gekorreleer met die aflynse VBmax-metings, wat die doeltreffendheid van die TCM-stelsel vir verslytvoorspelling bevestig (R² = 0,91).

3.2 Oppervlakgehalte en Geometriese Akkuraatheid
Oppervlak grofheid (Ra) is hoofsaaklik beïnvloed deur voerkoers en gereedskapspad strategie in die voltooiing van operasies. Vermindering van voer per tand (fz) van 0,08 mm/tand na 0,05 mm/tand het die gemiddelde Ra met ongeveer 25% verbeter. Belangrik, die implementering van adaptiewe trokoidale freessny om dun wandeling te voltooi (ap = 8 mm, wanddikte 1,5 mm) het 'n 15% verbetering in Ra gelewer (gemiddeld 0,32 µm teenoor 0,38 µm met parallelle paaie) en die vervorming van die komponent met 30% verminder, soos gemeet deur CMM-afwyking van die nominale wanddikte (Figuur 2). Hierdie strategie het ook die masjinerings tyd vir hierdie kenmerke met 18% verminder deurdat hoër gemiddelde materiaalverwyderingskoerse behou is deur konstante gereedskap betrokkenheid beheer.

3.3 Produktiwiteit en energieverbruik
Spesifieke sny-energie (SSE), 'n sleutelindikator van prosesseffektiwiteit, het afgenaa met toenemende materiaalverwyderingskoers (MVK) soos verwag. Die gebruik van kriogene koeling het egter 'n 10-15% hoër SSE gebring in vergelyking met vloedkoeling by ekwivalente MVK, wat toegeskryf is aan die energiekost van LN2-aflewering. Ten spyte hiervan het die aansienlike verlenging van gereedskap leeftyd en vermindering in nie-snytyd (gereedskapveranderinge, instellings) gelei tot 'n netto produktiwiteitstoename van ongeveer 20% per werkstuk vir komplekse strukturele dele, wat die SSE-straf uitgevee het.

4 Bespreking
Die waargenome dramatiese vermindering in gereedskapverslyt deur gebruik van gepulste kriogeniese LN2-koeling stem ooreen met gevestigde meganismes: LN2 onderdruk doeltreffend die hoë snydende sone temperature wat inherent is aan titaanmasjinerie, en verminder sodoende diffusie- en adhesieverslytmeganismes wat algemeen is met sementkobaltgereedskap [4, 5]. Die gepulste voer is waarskynlik doeltreffender in die deurdring van die gereedskap-slypsel-oppervlak terwyl dit verspilling van die gebruik daarvan minimaliseer. Die sukses van aanpasbare trokoidale snywerk, veral vir dun mure, spruit uit die handhaving van bykans konstante radiale inskakeling en verminderde snykragte, wat gereedskapafbuiging en werkstukvibrasie verminder [6]. Dit vertaal direk na verbeterde geometriese akkuraatheid en oppervlakafwerking.

'n Sleutelbeperking van hierdie studie is die fokus op Ti-6Al-4V. Alhoewel dit oorheersend is, toon ander titaanalgerings (byvoorbeeld Ti-5553, naby-beta-algerings) verskillende snybaarheidseienskappe; die bevindings hier vereis validering vir daardie materiale. Verder benodig die ekonomiese en omgewingsimplikasies van wye aanwending van kriogene LN2 'n noukeurige lewensiklusassessering, wat die balansering van gereedskapbesparing en produktiwiteitstoename teen die koste/koolstofvoetafdruk van LN2-produksie en -aflewering insluit.

Vir die praktyk van vliegtuigvervaardiging, ondersteun hierdie resultate sterk:

1. Die toepassing van gepulste kriogene masjineringsprosesse: Vir kritieke, langdurige titaanfreessnysels, veral grof- en halfafwerkfreessny, om die lewensduur van die snygereedskap sowel as die betroubaarheid van die proses te maksimeer.

2. Die aanvaarding van aanpasbare gereedskapspaaie: Veral trokoidale strategieë vir die afwerk van dunwandige lugvaartstrukture om die oppervlakintegriteit, dimensionele akkuraatheid en produksiedeursetvermoë te verbeter.

3. Die integrering van gereedskaptoestandmonitering: Die gebruik van spindelkragteken verskaf 'n praktiese, masjien-geïntegreerde metode vir die voorspelling van gereedskapverslyting en die proaktiewe beplanning van veranderinge, wat die risiko van afval verminder.

5 Gevolgtrekking
Hierdie studie demonstreer doeltreffende strategieë vir die verbetering van CNC-snywerk van Ti-6Al-4V vir uitdagende lugvaartstruktuurtoepassings. Pulsed kriogene vloeibestraalkoeling verminder beduidend vinnige gereedskapverslyt, 'n primêre beperking, en maak dit moontlik om hoër volhoubare snyspoed en verlengde gereedskap lewensduur te bereik. Aanpasbare trochoidale freesspore verbeter die oppervlakafwerking, dimensionele akkuraatheid (veral vir dunwande) en algehele produktiwiteit in vergelyking met konvensionele parallelle paaie. Die korrelasie tussen spindelkragmonitering en gereedskapverslyt bied 'n lewensvatbare metode vir prosesbeheer. Hierdie bevindings verskaf direk toepaslike oplossings vir lugvaartvervaardigers wat die doeltreffendheid, betroubaarheid en kwaliteit van titaan komponent produksie wil verbeter. Toekomstige werk moet die optimisering van kriogene voerparameters (nozzle ontwerp, puls tydsberekening) ondersoek, die metodologie uitbrei na ander hoë-prestasie titaanlegerings, en voer omvattende tegniese en ekonomiese en omgewingsimpak analise van kriogene masjineringsimplementering uit.