Титанова CNC обработка за авиационни конструкции

Титановите сплави представляват значителни предизвикателства за обработка с CNC в аерокосмически структурни приложения поради свойства като ниска топлопроводимост и висока химична реактивност. Тази работа описва структурирана методология за оптимизиране на CNC обработката на Ti-6Al-4V, като се фокусира върху намаляване на износването на инструментите и постигане на строги геометрични допуски. Опитите по обработка използваха многопосови CNC центрове, оборудвани с напреднали системи за наблюдение на състоянието на инструментите (TCM). Режещите параметри (скорост, подаване, дълбочина на рязане) и стратегиите на пътя на инструмента бяха систематично варирани. Резултатите показват, че използването на импулсно криогенно охлаждане намали средното износване на ръба с 42% в сравнение с конвенционалното охлаждащо течност, докато адаптивните стратегии за фрезоване с трохоида намалиха времето за обработка с 18% и подобриха грапавостта на повърхността (Ra) с 15% за тънкостенни компоненти. Анализът на данните потвърждава силната корелация между специфичната режеща енергия и прогресивното износване на инструментите. Тези заключения предоставят приложими стратегии за подобряване на ефективността на обработката и качеството на детайлите за критични аерокосмически конструкции. Ограничения включват фокуса върху Ti-6Al-4V; приложимостта към други титанови класове изисква допълнителна валидация.

1
Неуморното преследване на високите постижения и икономия на гориво в съвременните аерокосмически проекти изисква интензивното използване на титанови сплави, предимно Ti-6Al-4V. Тяхното изключително високото съотношение между здравина и тегло и устойчивостта им на корозия ги правят идеални за критични конструктивни компоненти като шасита, двигатели и секции от фюзелажа [1]. Въпреки това, тези същи свойства – по-специално ниската топлопроводимост, високата здравина при завишените температури и силната химична сродност към материали за рязане – правят титана ужасно труден за обработка по ефективен и прецизен начин [2]. Проблемите се проявяват като бързо износване на инструментите, лошо качество на обработените повърхности, потенциални деформации на заготовката (особено при тънки секции) и високи производствени разходи [3]. Следователно, оптимизирането на процесите за CNC обработка на титанови аерокосмически конструкции остава важна промишлена цел. Тази работа представя практична методология и експериментални резултати, насочени към преодоляване на тези предизвикателства чрез оптимизация на параметрите и иновативни стратегии за охлаждане, като целта е създаването на надеждни и икономически ефективни производствени протоколи.

2 Методи
2.1 Експериментален дизайн и материал на заготовката
Основният изследван материал беше отпускаем Ti-6Al-4V (клас 5) плоча, съответстваща на спецификациите AMS 4911L. Основните операции по обработка на метал бяха фрезоване по периферията (черно и чистово) и джобно фрезоване, които са характерни за авиационните структурни елементи. Заготовките бяха надеждно фиксирани чрез използване на персонализирани вакуумни патрони и стратегически механични зажимни устройства, за да се минимизира вибрацията и огъването, особено критично при тънкостенни геометрии.

2.2 Оборудване за обработка и режещ инструмент
Експериментите бяха проведени на 5-осен CNC център DMG MORI DMU 80 eVo linear (40 kW шпиндел, макс. 18 000 rpm). Режещите инструменти включваха:

• Брутна обработка: Монолитни твърдосплавни фрези (Ø10 мм, 4 ръба, покрити с ZrN) с променлива хеликова/зъбна геометрия.

• Финишинг: Монолитни твърдосплавни фрези (Ø8 мм и Ø6 мм, 4 ръба, покрити с AlTiN).
  Състоянието на инструмента (износване на фланеца VBmax) се следеше по време на процеса чрез комбинация от анализ на консумацията на мощност на шпиндела (Siemens Sinumerik 840D sl интегрирано наблюдение) и периодични измервания извън процеса с Keyence VHX-7000 цифров микроскоп. Повърхностната грапавост (Ra, Rz) се измерваше с профилометър Mitutoyo Surftest SJ-410. Размерната точност се проверяваше с координатно-измервателна машина Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Процесни променливи и придобиване на данни
Основни независими променливи, тествани систематично, включваха:

• Режеща скорост (Vc): 40 m/мин - 80 m/мин

• Подаване на зъб (fz): 0.04 mm/зъб - 0.12 mm/зъб

• Осева дълбочина на рязане (ap): 0.5 mm - 3.0 mm (финишни операции), 5 mm - 15 mm (черново обработване)

• Радиална дълбочина на рязане (ae): 0.5 mm - 6.0 mm (адаптивни стратегии)

• Стратегия за охлаждане: Конвенционално наводняване с емулсия (6%), Импулсно криогенно течно азотно охлаждане (LN2)

• Инструментална пътека (Toolpath): Конвенционални успоредни пътища, Адаптивно трохоидно фрезоване.
  Измерените зависими променливи бяха износване на ръба (VBmax), шероховатина на повърхността (Ra, Rz), специфична енергия на рязане (SCE), време за обработка на елемент, и отклонение в размерите на критични елементи (дебелина на стената, позиция на отвора). Регистрирането на данни се извършваше директно от CNC системата за управление (мощност, въртящ момент, време) и чрез оффлайн метрология. За всяко условие бяха извършени поне три повторения.

3 Резултати и анализ
3.1 Представяне на износването на инструмента
Прогресията на износване на ръба се повлия значително от стратегията за охлаждане и скоростта на рязане. Фигура 1 илюстрира доминиращата тенденция: използването на импулсно криогенно охлаждане с LN2 значително намали износването на инструмента при всички тествани скорости на рязане в сравнение с конвенционалното наводнено емулсионно охлаждане. При средната скорост (60 m/мин), средната VBmax след обработка на стандартизиран обем материал се намали с 42% чрез използване на криогенно охлаждане. Високите скорости на рязане (80 m/мин) при наводнено охлаждане доведоха до катастрофално разрушаване на инструмента (чипосване) за кратък период, докато криогенното охлаждане позволи продължителна обработка, въпреки ускорения износ в сравнение с по-ниските скорости. Анализът на сигнали за мощност на шпиндела корелира силно с измерванията на VBmax, потвърждавайки ефективността на системата за прогнозиране на износване (R² = 0.91).

3.2 Качество на повърхността и геометрична точност
Неравността на повърхността (Ra) беше предимно засегната от скоростта на подаване и стратегията на инструменталния път при завършващи операции. Намаляването на подаването на зъб (fz) от 0.08 mm/зъб до 0.05 mm/зъб подобри средната Ra стойност с приблизително 25%. Важно е, че използването на адаптивно трохоидно фрезоване при обработката на тънки стени (ap = 8mm, дебелина на стената 1.5mm) доведе до 15% подобрение в Ra (средно 0.32 µm спрямо 0.38 µm при използване на паралелни пътища) и намали деформацията на детайла с 30%, измерено чрез отклонение от CMM от номиналната дебелина на стената (Фигура 2). Тази стратегия също намали времето за обработка на тези елементи с 18%, като поддържаше по-високи средни скорости на отстраняване на материал чрез контрол на постоянния контакт на инструмента.

3.3 Продуктивност и енергопотребление
Специфичната режеща енергия (SCE), важен индикатор за ефективността на процеса, намалява с увеличаването на скоростта на отстраняване на материала (MRR), както се очаква. Въпреки това използването на криогенни смазващи среди доведе до 10–15 % по-висока SCE в сравнение с традиционното охлаждане при еднаква MRR, което се дължи на енергийните разходи за доставка на LN2. Въпреки това значителното удължаване на живота на инструмента и намалението на времето без рязане (смяна на инструменти, настройки) доведе до нетно увеличение на продуктивността с приблизително 20 % на детайл за сложни структурни компоненти, което компенсира нарастването на SCE.

4 Дискусия
Забелязаното рязко намаление на износването на инструмента при използване на импулсно криогенно охлаждане с LN2 съответства на установени механизми: LN2 ефективно потиска високите температури в зоната на рязане, присъщи за обработката на титан, по този начин намалявайки износването чрез дифузия и адхезия, които са характерни за твърдосплавни инструменти [4, 5]. Пулсираната подачва вероятно подобрява проникването в интерфейса между инструмента и стружката, докато се минимизира неефективното потребление. Успехът на адаптивната трохоидна фрезовка, особено за тънки стени, произтича от поддържането на почти постоянна радиална връзка и намалените сили на рязане, което минимизира отклонението на инструмента и вибрациите на детайла [6]. Това директно води до подобрена геометрична точност и по-добра повърхностна обработка.

Основно ограничение на това проучване е неговият фокус върху Ti-6Al-4V. Въпреки че този сплав доминира, други титанови сплави (напр. Ti-5553, сплави с нисък бета-състав) проявяват различни характеристики на обработваемост; резултатите тук изискват валидиране за тези материали. Освен това, икономическите и екологичните последици от широко разпространеното използване на криогенен LN2 изискват внимателна оценка на жизнения цикъл, като се балансират икономиите на инструменти и печалбите в производителността срещу разходите/въглеродния отпечатък за производство и доставка на LN2.

За авиокосмическата производствена практика, тези резултати категорично подкрепят:

1. Внедряване на импулсна криогенна обработка: За критични, продължителни операции по фрезоване на титан, особено черно и полуфинално фрезоване, за максимален живот на инструмента и надеждност на процеса.

2. Прилагане на адаптивни инструментални пътища: Особено трохоидни стратегии за финална обработка на тънкостенни авиокосмически конструкции, за подобрена повърхностна интегритет, размерна точност и производителност.

3. Интегриране на наблюдение на състоянието на инструмента: Използването на сигнали за мощност на шпиндела осигурява практичен, машинно интегриран метод за прогнозиране на износването на инструментите и планиране на смяната им поотделно, намалявайки риска от брак.

5 Заключение
Това проучване демонстрира ефективни стратегии за подобряване на обработката с CNC за Ti-6Al-4V при изискващи авиационни структурни приложения. Охлаждането с импулсни течни азотни смеси значително намалява бързото износване на инструментите, основно ограничение, което позволява по-високи устойчиви скорости на рязане и удължаване на живота на инструментите. Адаптивните трохоидни фрезови пътища подобряват повърхностното качество, размерната точност (особено при тънкостенни детайли) и общата продуктивност в сравнение с конвенционални успоредни пътища. Връзката между мониторинга на мощността на шпиндела и износването на инструментите предлага жизнеспособен метод за контрол в процеса. Тези резултати предоставят директно приложими решения за авиационни производители, които се стремят да подобрят ефективността, надеждността и качеството на производството на титанови компоненти. В бъдеще трябва да се проучи оптимизацията на параметрите на подаване на криогенни смеси (конструкция на соплата, моментите на импулсите), да се разшири методологията към други високоэффективни титанови сплави и да се проведе комплексен технико-икономически и еко-анализ на прилагането на криогенна обработка.