تصنيع التيتانيوم باستخدام الحاسب العددي (CNC) لهياكل الطائرات

تُعد سبائك التيتانيوم تحديات كبيرة لمعالجة CNC في التطبيقات الهيكلية للطيران بسبب خصائصها المتأصلة مثل التوصيل الحراري المنخفض والتفاعلية الكيميائية العالية. يُفصّل هذا العمل منهجية منظمة لتحسين معالجة Ti-6Al-4V باستخدام CNC، مع التركيز على تقليل اهتراء الأداة وتحقيق تحملات هندسية دقيقة. تم تنفيذ اختبارات المعالجة على مراكز CNC متعددة المحاور مزودة بأنظمة متقدمة لمراقبة حالة الأداة (TCM). تمت بشكل منهجي تغيير معايير القطع (السرعة، التغذية، عمق القطع) واستراتيجيات مسار الأداة. أظهرت النتائج أن استخدام التبريد المبرد المتقطع قلل من اهتراء الحافة الجانبية بمتوسط 42% مقارنةً بالتبريد التقليدي بالسائل، بينما خفض استراتيجيات الطحن المتقطع التكيفية من وقت المعالجة بنسبة 18% وحسّنت خشونة السطح (Ra) بنسبة 15% للمكونات ذات الجدران الرقيقة. أكد تحليل البيانات وجود علاقة قوية بين الطاقة النوعية للقطع واهتراء الأداة التدريجي. توفر هذه النتائج استراتيجيات عملية لتعزيز كفاءة المعالجة وجودة القطع في الهياكل الجوية الحرجة. تشمل القيود التركيز على Ti-6Al-4V؛ حيث يتطلب تطبيق النتائج على درجات أخرى من التيتانيوم التحقق الإضافي.

1
إن السعي المتواصل لتحقيق الأداء والكفاءة في استهلاك الوقود في تصميم الطائرات الحديثة يتطلب استخدامًا واسعًا للسبائك التيتانية، وخصوصًا سبيكة Ti-6Al-4V. إن نسبة القوة إلى الوزن الاستثنائية لهذه السبائك، بالإضافة إلى مقاومتها العالية للتآكل، تجعلها مثالية للمكونات الهيكلية الحرجة مثل عجلات الهبوط، ودعامات المحرك، وأجزاء الهيكل [1]. ومع ذلك، فإن هذه الخصائص نفسها - وخصوصًا التوصيل الحراري المنخفض، والقوة العالية عند درجات الحرارة المرتفعة، والانجذاب الكيميائي القوي للمواد المستخدمة في الأدوات - تجعل التيتانيوم من المواد الصعبة للغاية في التشغيل الآلي بكفاءة ودقة [2]. وتظهر التحديات في ارتداء الأدوات بسرعة، وسوء جودة سطح القطعة، والتشوه المحتمل في القطعة (خاصة في الأجزاء الرقيقة)، وارتفاع تكاليف الإنتاج [3]. وبالتالي، يبقى تحسين عمليات تشغيل التيتانيوم باستخدام ماكينات CNC هدفًا صناعيًا حيويًا. يقدم هذا العمل منهجية عملية ونتائج تجريبية تركز على التغلب على هذه التحديات من خلال تحسين المعايير واستراتيجيات التبريد الابتكارية، بهدف وضع بروتوكولات إنتاج موثوقة وفعالة من حيث التكلفة.

2 الطرق
٢.١ تصميم التجربة ومواد القطعة
المواد الأساسية التي تم فحصها كانت لوحات من معدن Ti-6Al-4V (الدرجة ٥) المعالج حرارياً، وفقاً لمواصفات AMS 4911L. العمليات الأساسية في التشغيل الآلي التي تم دراستها كانت الطحن الجانبي (التخشين والتجليس) وصنع الجيوب، وهي تمثل الميزات الشائعة في الهياكل الجوية. تم تثبيت القطع بثبات باستخدام مصاصات تفريغ مخصصة وأجهزة تثبيت ميكانيكية استراتيجية لتقليل الاهتزاز والانحراف، وهو أمر بالغ الأهمية خاصةً للهياكل ذات الجدران الرقيقة.

٢.٢ معدات التشغيل والأدوات
أُجريت التجارب على مركز تشغيل CNC خطي من نوع DMG MORI DMU 80 eVo (٤٠ كيلوواط، سرعة دوران تصل إلى ١٨٠٠٠ دورة في الدقيقة). تضمنت أدوات القطع ما يلي:

• التخريش الأولي: مطاحن نهاية صلبة من كربيد التنغستن (قطر ١٠ مم، ٤ حواف قطع، مغطاة بطبقة نيتريد الزركونيوم ZrN) ذات هندسة متغيرة في الملعب والزاوية.

• التشطيبات: مطاحن نهاية صلبة من كربيد التنغستن (قطر ٨ مم و٦ مم، ٤ حواف قطع، مغطاة بطبقة نيتريد النيتروجين المغطى بألمنيوم وألماس النيتروجين AlTiN).
  تم مراقبة حالة الأداة (ارتداء الجهة الجانبية VBmax) أثناء التشغيل باستخدام مجموعة من تحليل استهلاك الطاقة في المحور (مراقبة Siemens Sinumerik 840D sl المدمجة) وقياسات دورية خارجية باستخدام ميكروسكوب رقمي Keyence VHX-7000. تمت قياس خشونة السطح (Ra, Rz) باستخدام جهاز Mitutoyo Surftest SJ-410 للقياسات السطحية. وتم التحقق من الدقة البعدية باستخدام آلة قياس الإحداثيات Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 المتغيرات العملية وجمع البيانات
شملت المتغيرات المستقلة الأساسية التي تم اختبارها بشكل منهجي ما يلي:

• سرعة القطع (Vc): 40 متر/دقيقة - 80 متر/دقيقة

• الإطعام لكل سن (fz): 0.04 مم/سن - 0.12 مم/سن

• عمق القطع المحوري (ap): 0.5 مم - 3.0 مم (للحز النهائي)، 5 مم - 15 مم (للحز الخشن)

• عمق القطع الشعاعي (ae): 0.5 مم - 6.0 مم (للاستراتيجيات التكيفية)

• استراتيجية التبريد: محلول زيت تقليدي (6%)، النيتروجين السائل النبضي (LN2)

• استراتيجية مسار الأداة: مسارات متوازية تقليدية، تشغيل دائري تكيفي.
  الVariables التابعة التي تم قياسها كانت البلى الجانبي (VBmax)، خشونة السطح (Ra, Rz)، الطاقة النوعية للقطع (SCE)، وقت التشغيل لكل ميزة، والانحراف البُعدي على الميزات الحرجة (سمك الجدار، موقع الثقب). تم تسجيل البيانات مباشرة من نظام التحكم في ماكينة CNC (القدرة، العزم، الوقت) وباستخدام قياسات خارجية. تم إجراء ثلاثة تكرارات كحد أدنى لكل حالة.

3 النتائج والتحليل
3.1 أداء اهتراء الأداة
تأثر تقدم البلى الجانبي بشكل كبير باستراتيجية التبريد وسرعة القطع. يوضح الشكل 1 الاتجاه السائد: استخدام تبريد سائل نيتروجيني بسيط بشكل متقطع قلل من بلى الأداة بشكل كبير عبر جميع سرعات القطع المختبرة مقارنة بالتبريد التقليدي بالسائل. عند السرعة المتوسطة (60 م/دقيقة)، تم تقليل متوسط VBmax بعد تشغيل حجم قياسي من المادة بنسبة 42٪ باستخدام التبريد النيتروجيني. أدت السرعات العالية للقطع (80 م/دقيقة) مع التبريد التقليدي إلى فشل كارثي في الأداة (تشقق) خلال فترة قصيرة، بينما سمح التبريد النيتروجيني بمواصلة التشغيل، على الرغم من تسارع البلى مقارنة بالسرعات المنخفضة. أظهر تحليل إشارات الطاقة للمحور ارتباطًا قويًا مع قياسات VBmax التقليدية، مما يؤكد فعالية نظام TCM للتنبؤ بالبلى (R² = 0.91).

3.2 جودة السطح والدقة الهندسية
تأثرت خشونة السطح (Ra) بشكل رئيسي بمعدل التغذية واستراتيجية مسار الأداة في عمليات التشطيب. وقد حسّن تقليل التغذية لكل سن (fz) من 0.08 مم/سن إلى 0.05 مم/سن متوسط قيمة Ra بنسبة تقارب 25%. ومن المهم أيضًا، ساهم تطبيق الطحن المداري التكيفي في تشطيب الجدران الرقيقة (ap = 8 مم، سمك الجدار 1.5 مم) في تحسين Ra بنسبة 15% (متوسط 0.32 مايكرومتر مقابل 0.38 مايكرومتر مع المسارات المتوازية)، كما قلل من تشويه القطعة بنسبة 30% وفقًا لقياسات جهاز قياس الإحداثيات (CMM) من حيث الانحراف عن سمك الجدار الاسمي (الشكل 2). علاوة على ذلك، خفضت هذه الاستراتيجية وقت التشغيل لهذه الميزات بنسبة 18% من خلال الحفاظ على معدلات أعلى لازالة المواد بتحكم مستمر في درجة إشراك الأداة.

3.3 الإنتاجية واستهلاك الطاقة
إن الطاقة القطع النوعية (SCE)، وهي مؤشر رئيسي لكفاءة العملية، قد انخفضت مع زيادة معدل إزالة المادة (MRR) كما هو متوقع. ومع ذلك، فإن استخدام التبريد الج cryogenic أدى إلى ارتفاع في قيمة SCE بنسبة 10-15% مقارنةً بالتبريد بالماء التقليدي عند نفس معدل إزالة المادة (MRR)، ويعود ذلك إلى تكلفة الطاقة اللازمة لتوصيل النيتروجين السائل (LN2). وعلى الرغم من ذلك، فإن التمديد الكبير في عمر الأداة وتقليل الوقت غير الإنتاجي (تغيير الأدوات، التعديلات) أدى إلى زيادة صافية في الإنتاجية تقدر بحوالي 20% لكل قطعة عمل، خاصةً في حالة الأجزاء الهيكلية المعقدة، مما يعوّض العيب في قيمة الطاقة القطع النوعية (SCE).

4 المناقشة
يتماشى الانخفاض الملحوظ في ارتداء الأداة باستخدام التبريد الكريوجيني LN2 المتقطع مع الآليات المعروفة: حيث يعمل LN2 على كبح درجات الحرارة العالية في منطقة القطع التي تتميز بها عملية تشكيل التيتانيوم، وبالتالي تقليل آليات الارتداء الناتجة عن الانتشار والالتصاق التي تظهر بشكل كبير مع أدوات الكربيد [4، 5]. من المرجح أن تسهم طريقة التوصيل المتقطعة في تحسين اختراق النيتروجين السائل إلى واجهة الأداة-الرقاقة، وفي الوقت نفسه تقلل من استهلاك النيتروجين دون فائدة. يعود النجاح الذي حققه الطحن الإهليلجي التكيفي، وخاصةً في جدران رقيقة، إلى الحفاظ على مستوى شبه ثابت من الانخراط الشعاعي وتقليل قوى القطع، مما يقلل من انحراف الأداة والاهتزازات الناتجة في قطعة العمل [6]. وهذا ينعكس مباشرةً على تحسين الدقة الهندسية وجودة التشطيب السطحي.

تتمثل إحدى القيود الرئيسية لهذه الدراسة في تركيزها على سبيكة Ti-6Al-4V. وعلى الرغم من هيمنتها، فإن سبائك التيتانيوم الأخرى (على سبيل المثال، Ti-5553، السبائك شبه-البيتا) تُظهر خصائص تشغيل مختلفة؛ وتحتاج النتائج هنا إلى التحقق منها بالنسبة لتلك المواد. علاوة على ذلك، فإن التداعيات الاقتصادية والبيئية لاعتماد واسع النطاق للنيتروجين السائل في الظروف الحرجة تتطلب تقييمًا دقيقًا لدورة الحياة، بحيث يتم الموازنة بين المكاسب في تكاليف الأدوات والانتاجية مقابل تكاليف إنتاج النيتروجين السائل ونقله/البصمة الكربونية.

في مجال تصنيع الطائرات، تدعم هذه النتائج بقوة:

1. تطبيق التشغيل بالتبريد النبضي: للعمليات الطويلة والمهمة من تفريز التيتانيوم، وخاصة التشذيب والتشطيب الجزئي، لتعظيم عمر الأداة وموثوقية العملية.

2. اعتماد المسارات التكيفية للأدوات: وخاصة الاستراتيجيات الحلزونية للتشطيب في الهياكل الجوية الرقيقة الجدران لتحسين سلامة السطح والدقة الأبعادية والإنتاجية.

3. دمج مراقبة حالة الأداة: يوفر استخدام إشارات قوة المغزل طريقة عملية ومتكاملة مع الماكينة لتوقع ارتداء الأداة وجدولة التغييرات بشكل استباقي، مما يقلل من خطر التصنيع المعيب.

5 الاستنتاج
تُظهر هذه الدراسة استراتيجيات فعالة لتعزيز عملية التشغيل باستخدام ماكينات CNC لسبيكة Ti-6Al-4V في تطبيقات هيكلية متطورة في مجال الطيران والفضاء. إن استخدام التبريد بالنيتروجين السائل بشكل نبضي يخفف بشكل كبير من ارتداء الأداة السريع، وهو أحد القيود الرئيسية، مما يسمح بتحقيق سرعات قطع مستدامة أعلى ويطيل عمر الأداة. تحسّن مسارات القطع المتجددة (Adaptive trochoidal milling) من إنهاء السطح والدقة الأبعادية (خاصةً الجدران الرقيقة) والإنتاجية بشكل عام مقارنةً بالمسارات المتوازية التقليدية. إن العلاقة بين مراقبة قوة العمود الدوار وارتداء الأداة توفر وسيلة فعالة للتحكم أثناء العملية. توفر هذه النتائج حلولا مباشرة يمكن تطبيقها من قبل مصنعي الطيران لتحسين كفاءة وموثوقية وجودة إنتاج مكونات التيتانيوم. يجب أن تركز الأعمال المستقبلية على تحسين معايير توصيل التبريد (تصميم الفوهة، توقيت النبض)، وتوسيع المنهجية لتضم سبائك التيتانيوم عالية الأداء الأخرى، وإجراء تحليل شامل من حيث الجدوى الاقتصادية والتأثير البيئي لتطبيق تشغيل المعادن بالتبريد.