Mecanitzat de titani CNC per a Estructures Aeronàutiques

Els aliatges de titani presenten reptes significatius per al mecanitzat CNC en aplicacions estructurals aeroespacials a causa de propietats inherents com la baixa conductivitat tèrmica i l'alta reactivitat química. Aquest treball detalla una metodologia estructurada per a l'optimització del mecanitzat CNC del Ti-6Al-4V, centrant-se en la reducció del desgast d'eines i aconseguir toleràncies geomètriques estrictes. Els assaig de mecanitzat han utilitzat centres CNC multieixos equipats amb sistemes avançats de monitoratge de l'estat de les eines (TCM). Els paràmetres de tall (velocitat, avanç, profunditat de tall) i les estratègies de trajectòria d'eina han variat sistemàticament. Els resultats demostren que la implementació de refrigeració criogènica pulsada ha reduït el desgast mitjà del flanc en un 42% respecte al refrigerant convencional, mentre que les estratègies d'optimització adaptativa tipus trocoide han dissenyat el temps de mecanitzat en un 18% i han millorat la rugositat superficial (Ra) en un 15% per components de paret fina. L'anàlisi de dades confirma una forta correlació entre l'energia específica de tall i el desgast progressiu de l'eina. Aquests resultats proporcionen estratègies aplicables per millorar l'eficiència del mecanitzat i la qualitat de les peces en estructures aeroespacials crítiques. Les limitacions inclouen el focus en Ti-6Al-4V; l'aplicabilitat a altres graus de titani requereix validació addicional.

1
La recerca incessant de rendiment i eficiència en el consum en el disseny aeroespacial modern requereix l'ús extensiu d'aliatges de titani, principalment Ti-6Al-4V. La seva excepcional relació resistència-pes i la seva resistència a la corrosió els fan ideals per a components estructurals clau com el tren d'aterratge, els suports del motor i seccions de la fuselatge [1]. No obstant això, aquestes mateixes propietats, concretament la baixa conductivitat tèrmica, l'alta resistència a temperatures elevades i l'afinitat química elevada amb els materials de les eines, fan que el titani sigui notòriament difícil de mecanitzar de manera eficient i precisa [2]. Els problemes es manifesten en un desgast ràpid de les eines, una mala integritat superficial, possibles deformacions de la peça (especialment en seccions fines) i costos de producció elevats [3]. En conseqüència, optimitzar els processos de mecanitzat CNC per a estructures aeroespacials de titani continua sent un objectiu industrial clau. Aquest treball presenta una metodologia pràctica i resultats experimentals centrats a superar aquests problemes mitjançant l'optimització dels paràmetres i estratègies innovadores de refrigeració, amb l'objectiu d'establir protocols de producció fiables i econòmics.

2 Mètodes
2.1 Disseny experimental i material de la peça
El material base investigat va ser una placa de Ti-6Al-4V recuit (grau 5), conforme a les especificacions AMS 4911L. Les operacions principals d'usinatge estudiades van ser el fresat periferic (desbast i acabat) i el bolcat, representatiu de característiques estructurals aerospacials habituals. Les peces van ser fixades de manera segura mitjançant mordasses de buit personalitzades i un enclavament mecànic estratègic per minimitzar vibracions i flexions, especialment important per a geometries amb parets fines.

2.2 Equipament d'usinatge i ferramenta
Els experiments es van dur a terme en un centre d'usinatge CNC de 5 eixos DMG MORI DMU 80 eVo (eix principal de 40 kW, màxim de 18.000 rpm). Les ferramentes de tall incloïdes van ser:

• Desbast: Freses de carburi massís (Ø10 mm, 4 canals, recobertes amb ZrN) amb geometria de hèlix/pas variable.

• Acabat: Freses de carburi massís (Ø8 mm i Ø6 mm, 4 canals, recobertes amb AlTiN).
  L'estat de la eina (desgast lateral VBmax) es va supervisar durant el procés mitjançant una combinació d'anàlisi del consum d'energia del fus (monitoratge integrat Siemens Sinumerik 840D sl) i mesures periòdiques fora de línia mitjançant un microscopi digital Keyence VHX-7000. La rugositat superficial (Ra, Rz) es va mesurar amb un perfilòmetre Mitutoyo Surftest SJ-410. La precisió dimensional es va verificar amb una màquina de mesura de coordenades Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variables del procés i adquisició de dades
Les variables independents clau que es van provar sistemàticament van incloure:

• Velocitat de tall (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Avanç per dent (fz): 0,04 mm/dent - 0,12 mm/dent

• Profunditat axial de tall (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (acabat), 5 mm - 15 mm (esglossat)

• Profunditat radial de tall (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (estratègies adaptatives)

• Estratègia de refrigeració: Emulsió convencional (6%), Nitrogen líquid criogènic pulsatiu (LN2)

• Estratègia de trajectòria de la eina: Camins paral·lels convencionals, Fresat trocoidal adaptatiu.
  Les variables dependents mesurades van ser el desgast lateral (VBmax), la rugositat superficial (Ra, Rz), l'energia específica de tall (SCE), el temps de mecanitzat per característica i la desviació dimensional en característiques crítiques (gruix de paret, posició del forat). L'enregistrament de dades es va realitzar directament des del sistema de control CNC (potència, parell, temps) i mitjançant metrologia fora de línia. Es van realitzar com a mínim tres rèpliques per condició.

3 Resultats i Anàlisi
3.1 Rendiment del desgast de l'eina
L'evolució del desgast lateral va ser notablement influenciada per l'estratègia de refrigeració i la velocitat de tall. La figura 1 mostra la tendència dominant: l'ús de refrigeració criogènica pulsada amb LN2 va reduir dràsticament el desgast de l'eina en totes les velocitats de tall provades en comparació amb la refrigeració convencional amb emulsió. A la velocitat intermèdia (60 m/min), la VBmax mitjana després de mecanitzar un volum estandarditzat de material es va reduir en un 42% utilitzant refrigeració criogènica. Velocitats elevades de tall (80 m/min) amb refrigeració per inundació van provocar fallades catastròfiques de l'eina (esquerdament) en un període curt, mentre que la refrigeració criogènica va permetre continuar amb la mecanització, tot i que amb un desgast més accelerat comparat amb velocitats més baixes. L'anàlisi dels senyals de potència del mandrin va mostrar una forta correlació amb les mesures offline de VBmax, confirmant l'efectivitat del sistema TCM per a la predicció del desgast (R² = 0,91).

3.2 Qualitat superficial i precisió geomètrica
La rugositat superficial (Ra) va ser principalment afectada per la velocitat d'avance i l'estratègia de trajectòria d'eina en operacions d'acabat. Reduir l'avance per dent (fz) de 0,08 mm/dent a 0,05 mm/dent va millorar la Ra mitjana en aproximadament un 25%. Crucialment, implementar un fresat trocoidal adaptatiu per a l'acabat de parets fines (ap = 8 mm, gruix de paret 1,5 mm) va aconseguir una millora del 15% en Ra (mitjana de 0,32 µm vs. 0,38 µm amb trajectòries paral·leles) i va reduir la distorsió de la peça en un 30%, mesurat mitjançant la desviació de la MMc respecte al gruix nominal de la paret (Figura 2). Aquesta estratègia també va reduir el temps de mecanitzat d'aquestes característiques en un 18% mantenint taxes de treball mitjanes més elevades gràcies al control constant de la implicació de l'eina.

3.3 Productivitat i consum d'energia
L'energia específica de tall (SCE), un indicador clau de l'eficiència del procés, va disminuir amb l'augment de la taxa de retirada de material (MRR), com era d'esperar. No obstant això, l'ús de refrigeració criogènica va provocar un SCE un 10-15% més elevat en comparació amb la refrigeració per inundació en MRR equivalents, atribuït al cost energètic de la distribució d'LN2. Malgrat això, la gran extensió de la vida útil de l'eina i la reducció del temps de no tall (canvis d'eina, ajustos) van portar a un augment net de la productivitat d'aproximadament el 20% per peça en components estructurals complexos, compensant així la penalització del SCE.

4 Discussió
La reducció dràstica observada en el desgast de l'eina en utilitzar refrigeració criogènica pulsada amb LN2 s'alinea amb els mecanismes establerts: LN2 suprimeix eficaçment les altes temperatures de la zona de tall inherents al mecanitzat del titani, reduint així els mecanismes de desgast per difusió i adhesió habituals en les eines de carburi [4, 5]. L'aplicació pulsada probablement millora la penetració a la interfície eina-enciam mentre minimitza el consum innecessari. L'èxit del fresat adaptatiu trocoidal, especialment per a parets fines, prové de mantenir un engranatge radial gairebé constant i forces de tall reduïdes, minimitzant la flexió de l'eina i la vibració de la peça de treball [6]. Això es tradueix directament en una millor precisió geomètrica i acabat superficial.

Una limitació clau d'aquest estudi és el seu enfoc en Ti-6Al-4V. Tot i que és dominant, altres aliatges de titani (per exemple, Ti-5553, aliatges pròxims a beta) presenten característiques de mecanitzabilitat diferents; cal validar aquests resultats per a aquests materials. A més, les implicacions econòmiques i ambientals de l'adopció generalitzada de LN2 criogènic requereixen una avaluació curosa del cicle de vida, equilibrant els estalvis en eines i les millores de productivitat amb els costos/empremta de carboni de la producció i distribució de LN2.

Per a la pràctica de fabricació aeroespacial, aquests resultats donen un fort suport a:

1. Implementació del mecanitzat criogènic pulsador: En operacions de fresat de titani crítiques i de llarga durada, especialment en desbast i semiacabat, per maximitzar la vida de les eines i la fiabilitat del procés.

2. Adopció de trajectòries adaptatives: Particularment estratègies trocoidals per a l'acabat de structures aeroespacials de parets fines per millorar la integritat superficial, la precisió dimensional i la productivitat.

3. Integració de la monitorització de l'estat de les eines: L'utilització de senyals de potència del fus proporciona un mètode pràctic i integrat a la màquina per predir el desgast de l'eina i programar canvis de manera proactiva, reduint el risc de rebuig.

5 Conclusió
Aquest estudi demostra estratègies efectives per millorar la mecanització CNC de Ti-6Al-4V per a aplicacions estructurals aeroespacials exigents. El refredament criogènic pulsant amb nitrogen líquid redueix significativament el desgast ràpid de l'eina, una limitació principal, permetent velocitats de tall més elevades i sostenibles, així com una vida útil més llarga de l'eina. Les trajectòries d'eina adaptatives de fresat trocoidal milloren l'acabat superficial, la precisió dimensional (especialment en parets fines) i la productivitat general en comparació amb les trajectòries paral·leles convencionals. La correlació entre el monitoratge de la potència del motormaquinària i el desgast de l'eina ofereix un mètode viable de control en procés. Aquests resultats proporcionen solucions directament aplicables als fabricants aeroespacials que busquen millorar l'eficiència, la fiabilitat i la qualitat en la producció de components de titani. Els treballs futurs haurien d'investigar l'optimització dels paràmetres de distribució criogènica (disseny dels injectors, temporització dels polsos), estendre la metodologia a altres aliatges de titani d'alta prestació i dur a terme anàlisis tècnico-econòmiques i d'impacte ambiental completes de la implementació del mecanitzat criogènic.