Titaniové CNC obrábění pro letecké konstrukce

Titaniové slitiny představují pro CNC obrábění v letadlových konstrukcích významné výzvy kvůli vlastnostem jako nízká tepelná vodivost a vysoká chemická reaktivita. Tato práce popisuje strukturovanou metodiku pro optimalizaci CNC obrábění Ti-6Al-4V, zaměřenou na potlačení opotřebení nástrojů a dosažení přísných geometrických tolerancí. Obráběcí zkoušky byly prováděny na víceosých CNC centrech vybavených pokročilými systémy monitorování stavu nástroje (TCM). Řezné parametry (otáčky, posuv, hloubka řezu) a strategie nástrojové dráhy byly systematicky měněny. Výsledky ukazují, že použití pulzního kryogenního chlazení snížilo průměrné opotřebení hřbetu o 42 % ve srovnání s konvenčním chladicím olejem, zatímco adaptivní trochoidní frézovací strategie snížila čas obrábění o 18 % a zlepšila drsnost povrchu (Ra) o 15 % u tenkostěnných komponent. Analýza dat potvrzuje silnou korelaci mezi měrnou řeznou energií a postupným opotřebením nástroje. Tyto závěry poskytují uplatnitelné strategie pro zvýšení efektivity obrábění a kvality dílů u kritických letadlových konstrukcí. Mezi omezení patří zaměření na slitinu Ti-6Al-4V; použitelnost pro jiné třídy titanu vyžaduje další ověření.

1
Nekonečné usilování o výkon a palivovou účinnost v moderním leteckém designu vyžaduje rozsáhlé využití slitin titanu, zejména Ti-6Al-4V. Jejich výjimečný poměr mezi pevností a hmotností a odolnost proti korozi je činí ideálními pro klíčové konstrukční komponenty, jako jsou podvozky, upevnění motorů a části trupu [1]. Nicméně, právě tyto vlastnosti – zejména nízká tepelná vodivost, vysoká pevnost za vysokých teplot a silná chemická afinita k nástrojovým materiálům – činí titan notoricky obtížně obrobitelným a přesně zpracovatelným [2]. Výzvy se projevují jako rychlé opotřebení nástrojů, špatná kvalita povrchu, potenciální deformace obrobku (obzvláště u tenkých částí) a zvýšené výrobní náklady [3]. V důsledku toho zůstává optimalizace procesů CNC obrábění pro titanové letecké konstrukce klíčovým průmyslovým cílem. Tato práce přináší praktickou metodologii a experimentální výsledky zaměřené na překonání těchto výzev prostřednictvím optimalizace parametrů a inovativních strategií chlazení, s cílem stanovit spolehlivé a nákladově efektivní výrobní postupy.

2 Metody
2.1 Návrh experimentu a materiál obrobku
Základním zkoumaným materiálem byla žíhaná deska Ti-6Al-4V (třída 5) odpovídající specifikaci AMS 4911L. Hlavními obráběcími operacemi byly zkoumány periferní frézování (hrubování a dokončování) a výběr kapes, což jsou typické konstrukční prvky leteckého průmyslu. Obrobky byly pevně upnuty pomocí vlastních vakuových upínacích desek a strategického mechanického upnutí, aby se minimalizovalo třesení a průhyb, zejména u tenkostěnných geometrií.

2.2 Obráběcí stroje a nástroje
Experimenty byly prováděny na 5osém CNC obráběcím centru DMG MORI DMU 80 eVo linear (40 kW vřeteno, max. 18 000 ot./min). Nástroje zahrnovaly:

• Hrubé obrábění: Monolitické karbidové frézy (Ø10 mm, 4-břitné, povlak ZrN) s proměnlivým úhel spirály/roztečí.

• Dokončování: Monolitické karbidové frézy (Ø8 mm a Ø6 mm, 4-břitné, povlak AlTiN).
  Stav nástroje (opotřebení břitu VBmax) byl sledován v průběhu procesu kombinací analýzy příkonu vřetena (sledování integrované v systému Siemens Sinumerik 840D sl) a periodických měření mimo proces pomocí digitálního mikroskopu Keyence VHX-7000. Drsnost povrchu (Ra, Rz) byla měřena pomocí profilometru Mitutoyo Surftest SJ-410. Dimenzionální přesnost byla ověřena na souřadnicovém měřicím stroji Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Procesní proměnné a získávání dat
Klíčové nezávislé proměnné, které byly testovány systémově, zahrnovaly:

• Řezná rychlost (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Posuv na zub (fz): 0,04 mm/zub - 0,12 mm/zub

• Osové hloubka řezu (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (dokončovací operace), 5 mm - 15 mm (předokončovací operace)

• Radiální hloubka řezu (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptivní strategie)

• Chladicí strategie: Konvenční zaplavování emulzí (6 %), Pulsující kryogenní kapalný dusík (LN2)

• Strategie nástrojové dráhy: Konvenční paralelní dráhy, Adaptivní trochoidní frézování.
  Měřené závislé proměnné byly opotřebení břitu (VBmax), drsnost povrchu (Ra, Rz), měrná řezná energie (SCE), strojní čas na prvek a odchylka rozměrů u kritických prvků (tloušťka stěny, poloha otvoru). Záznam dat probíhal přímo z CNC řídicího systému (výkon, točivý moment, čas) a prostřednictvím offline měření. Pro každé podmínky byly provedeny minimálně tři opakování.

3 Výsledky a analýza
3.1 Výkonnost opotřebení nástroje
Postup opotřebení boků nástroje byl významně ovlivněn strategií chlazení a řeznou rychlostí. Obrázek 1 ilustruje dominantní trend: použití pulzního kryogenního chlazení LN2 výrazně snížilo opotřebení nástroje ve všech testovaných řezných rychlostech ve srovnání s konvenčním emulzním chlazením. Při střední řezné rychlosti (60 m/min) byla průměrná hodnota VBmax po opracování standardizovaného objemu materiálu snížena o 42 % při použití kryogenního chlazení. Vysoké řezné rychlosti (80 m/min) při chlazení proudem vody vedly při použití chladicí emulze k náhlému selhání nástroje (opotřebení hrany) během krátké doby, zatímco kryogenní chlazení umožnilo pokračování obrábění, i když s vyšší intenzitou opotřebení ve srovnání s nižšími rychlostmi. Analýza signálů výkonu vřetena prokázala silnou korelaci s offline měřeními VBmax, čímž byla potvrzena účinnost systému TCM pro predikci opotřebení (R² = 0,91).

3.2 Kvalita povrchu a geometrická přesnost
Drsnost povrchu (Ra) byla v hlavní míře ovlivněna posuvem a strategií nástrojové dráhy při dokončovacích operacích. Snížení posuvu na zub (fz) z 0,08 mm/zub na 0,05 mm/zub zlepšilo průměrnou hodnotu Ra přibližně o 25 %. Zásadně implementované adaptivní trochoideální frézování pro dokončování tenkostěnných částí (ap = 8 mm, tloušťka stěny 1,5 mm) zajistilo 15% zlepšení Ra (průměrně 0,32 µm vs. 0,38 µm při paralelních drahách) a snížilo deformaci dílce o 30 %, jak bylo změřeno pomocí CMM odchylky od jmenovité tloušťky stěny (obrázek 2). Tato strategie také snížila strojní čas na tyto prvky o 18 % díky udržování vyšších průměrných rychlostí obrábění pomocí kontrolovaného zapojení nástroje.

3.3 Produktivita a spotřeba energie
Měrná řezná energie (SCE), klíčový ukazatel účinnosti procesu, klesala se zvyšující se rychlostí odstraňování materiálu (MRR), jak očekáváno. Použití kryogenního chlazení však vedlo k 10–15% vyšší SCE ve srovnání s intenzivním chlazením při stejné MRR, což je dáno energetickou náročností dodávky LN2. Přesto významné prodloužení životnosti nástroje a snížení neproduktivního času (výměna nástrojů, úpravy) vedlo k celkovému nárůstu produktivity přibližně o 20 % na jednu součástku pro složité konstrukční díly, čímž byla kompenzována výše uvedená SCE nevýhoda.

4 Diskuze
Pozorované prudké snížení opotřebení nástroje při použití pulzního kryogenního chlazení LN2 odpovídá uznávaným mechanismům: LN2 efektivně potlačuje vysoké teploty v řezné zóně typické pro obrábění titanu, čímž se snižují mechanismy opotřebení difuzí a adhesí, které jsou běžné u karbidových nástrojů [4, 5]. Pulsující dodávka pravděpodobně zlepšuje průnik do rozhraní nástroj-tříska, zatímco minimalizuje plýtvání chladivem. Úspěch adaptivního trochoidního frézování, zejména pro tenké stěny, vyplývá z udržování téměř konstantního radiálního záběru a snížených řezných sil, čímž se minimalizuje průhyb nástroje a vibrace obrobku [6]. To se přímo překládá do zlepšené geometrické přesnosti a kvality povrchu.

Hlavní omezení této studie je její zaměření na Ti-6Al-4V. Ačkoli tento materiál dominuje, jiné slitiny titanu (např. Ti-5553, slitiny blízké beta fázi) vykazují odlišné vlastnosti z hlediska obrábění; výsledky zde uvedené je třeba ověřit i pro tyto materiály. Navíc vyžadují podrobné posouzení životního cyklu ekonomické a environmentální dopady masového používání kryogenního LN2, přičemž je třeba vyvážit úspory na nářadí a zvýšení produktivity proti nákladům/uhlíkové stopě spojené s výrobou a dopravou LN2.

V praxi výroby leteckých komponent tato zjištění jasně podporují:

1. Zavádění pulzního kryogenního obrábění: Pro kritické a dlouhotrvající operace frézování titanu, obzvláště pro hrubování a předokončování, za účelem maximalizace trvanlivosti nářadí a spolehlivosti procesu.

2. Použití adaptivních nástrojových drah: Obzvláště strategie trochoidního frézování pro dokončování tenkostěnných leteckých konstrukcí, aby se zlepšila jakost povrchu, přesnost rozměrů a výstupnost.

3. Zavádění monitorování stavu nářadí: Využití signálů výkonu vřetena poskytuje praktickou, do stroje integrovanou metodu pro předpovídání opotřebení nástrojů a proaktivní plánování jejich výměny, čímž se snižuje riziko zmetků.

5 Závěr
Tato studie demonstruje efektivní strategie pro zlepšení CNC obrábění Ti-6Al-4V pro náročné strukturální aplikace v leteckém průmyslu. Impulzní kryogenní chlazení kapalným dusíkem výrazně potlačuje rychlé opotřebení nástroje, což je hlavní omezení, a umožňuje tak vyšší udržitelné řezné rychlosti a prodlouženou životnost nástroje. Adaptivní trochoidní frézovací dráhy nástroje zlepšují jakost povrchu, rozměrovou přesnost (zejména u tenkostěnných částí) a celkovou produktivitu ve srovnání s konvenčními paralelními drahami. Souvislost mezi monitorováním výkonu vřetena a opotřebením nástroje nabízí vhodnou metodu pro řízení procesu. Tyto zjištění poskytují přímo použitelná řešení pro výrobce v leteckém průmyslu, kteří usilují o zlepšení efektivity, spolehlivosti a kvality výroby titanových komponent. Budoucí práce by měla zkoumat optimalizaci parametrů dodávky kryogenu (návrh trysky, časování impulsů), rozšířit metodiku na jiné vysokopevnostní titanové slitiny a provést komplexní technicko-ekonomické a environmentální analýzy dopadů implementace kryogenního obrábění.