Titanium CNC-bearbejdning til flystrukturer

Titanlegeringer udgør betydelige udfordringer for CNC-bearbejdning i luftfartsstrukturer på grund af indlysende egenskaber som lav termisk ledningsevne og høj kemisk reaktivitet. Dette arbejde beskriver en struktureret metode til optimering af CNC-bearbejdning af Ti-6Al-4V, med fokus på at reducere værktøjs slid og opnå stramme geometriske tolerancer. Bearbejdningstests benyttede flerakslede CNC-centre udstyret med avancerede værktøjstilstandsövervågningssystemer (TCM). Skærehastighedsparametre (hastighed, tilgang, skæredybde) og værktøjsbane-strategier blev systematisk varieret. Resultaterne viser, at anvendelse af pulseret kryogenisk køling reducerede gennemsnitligt fladeslid med 42 % sammenlignet med konventionel oversvømmelseskøling, mens adaptive trochoidale fræsningstrategier reducerede bearbejdstiden med 18 % og forbedrede overfladeruhed (Ra) med 15 % for tyndvæggede komponenter. Dataanalyse bekræfter en stærk korrelation mellem specifik skæreenergi og progressivt værktøjslid. Disse fund giver konkrete strategier til at forbedre bearbejdningseffektivitet og delkvalitet for kritiske luftfartsstrukturer. Begrænsninger omfatter fokus på Ti-6Al-4V; anvendelighed på andre titanlegeringer kræver yderligere validering.

1
Den utrættelige jagt på ydeevne og brændstoffeffektivitet i moderne luftfartdesign gør det nødvendigt at anvende titanlegeringer, primært Ti-6Al-4V. Deres ekstraordinære styrke-vægt-forhold og korrosionsbestandighed gør dem ideelle til kritiske strukturelle komponenter som landingsstel, motoraflastninger og airframe-sektioner [1]. Disse samme egenskaber – især lav termisk ledningsevne, høj styrke ved høje temperaturer og stærk kemisk tiltrækning til værktøjsmaterialer – gør titan ekstremt vanskeligt at bearbejde effektivt og præcist [2]. Udfordringerne viser sig som hurtig værktøjs slid, dårlig overfladekvalitet, potentiel arbejdsemne deformation (især i tynde sektioner) og høje produktionsomkostninger [3]. Derfor forbliver optimering af CNC-bearbejdning af titanluftfartsstrukturer et kritisk industrielt mål. Dette arbejde præsenterer en praktisk metode og eksperimentelle resultater, der er fokuseret på at overkomme disse udfordringer gennem parameteroptimering og innovative kølestrategier med henblik på at etablere pålidelige, omkostningseffektive produktionsprotokoller.

2 Metoder
2.1 Eksperimentel Design & Værktøjsmateriale
Det undersøgte kerne materiale var glødede Ti-6Al-4V (Grade 5) plader, som overholder specifikationerne i AMS 4911L. De primære bearbejdningoperationer, der blev studeret, var perifer fræsning (skrædderi og afslutning) og lommebearbejdning, hvilket er repræsentativt for almindelige luftfart strukturelle elementer. Værktøjerne blev sikkert fastgjort ved hjælp af tilpassede vakuum spande og strategisk mekanisk spændning for at minimere vibrationer og afvigelse, især vigtigt for tyndvævsgeometrier.

2.2 Bearbejdning Udstyr & Værktøj
Eksperimenterne blev udført på en 5-akset DMG MORI DMU 80 eVo lineær CNC-bearbejdningcenter (40 kW spindel, maks 18.000 omdr./min.). Skæreværktøjer inkluderede:

• Groftbearbejdning: Massive carbidskærere (Ø10 mm, 4-fure, beklædte med ZrN) med variabel stignings/pitch geometri.

• Udformning: Massive carbidskærere (Ø8 mm & Ø6 mm, 4-fure, beklædte med AlTiN).
  Værktøjets tilstand (flankeslid VBmax) blev overvåget under processen ved hjælp af en kombination af analyse af spindelstrømforbrug (Siemens Sinumerik 840D sl integreret overvågning) og periodiske offline målinger via et Keyence VHX-7000 digitalt mikroskop. Overfladeruhed (Ra, Rz) blev målt ved hjælp af en Mitutoyo Surftest SJ-410 profilometer. Dimensionel nøjagtighed blev verificeret med en Zeiss CONTURA G2 koordinatmålemaskine (CMM).

2.3 Procesvariable og dataindsamling
Nødvendige uafhængige variable, der systematisk blev testet, inkluderede:

• Skærehastighed (Vc): 40 m/min - 80 m/min

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

• Aksial indgrebshøjde (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (afslutning), 5 mm - 15 mm (formning)

• Radial indgrebshøjde (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptive strategier)

• Kølingstrategi: Konventionel oversvømmelses-emulsion (6 %), Puls-afsat kvælstof (LN2)

• Værktøjspolleguide-strategi: Konventionelle parallelle baner, Adaptive trochoidale fresemetoder.
  De afhængige variabler, der blev målt, var flanketilslidning (VBmax), overfladeruhed (Ra, Rz), specifik skæreenergi (SCE), maskinerings tid pr. funktion og dimensionel afvigelse på kritiske funktioner (vægtykkelse, hulposition). Dataregistrering foregik direkte fra CNC-styringssystemet (effekt, drejningsmoment, tid) og via offline metrologi. Der blev udført mindst tre gentagelser pr. betingelse.

3 Resultater og Analyse
3.1 Værktøjsslidningsydelse
Fremskridtet af flankeslid blev væsentligt påvirket af kølestrategi og skærehastighed. Figur 1 illustrerer den dominerende tendens: anvendelse af pulseret kryogen LN2-køling reducerede markant værktøjsslid ved alle testede skærehastigheder sammenlignet med konventionel oversvømmelsesemulsion. Ved medium skærehastighed (60 m/min) blev gennemsnitlig VBmax efter bearbejdning af et standardiseret materiale volumen reduceret med 42 % ved anvendelse af kryogen køling. Høje skærehastigheder (80 m/min) under oversvømmelseskøling førte til katastrofalt værktjedssammenbrud (afskalling) inden for en kort periode, mens kryogen køling tillod vedholdende bearbejdning, om end med øget slid sammenlignet med lavere hastigheder. Analyse af spindelstrømsignaler korrelerede stærkt med offline VBmax-målinger og bekræftede TCM-systemets effektivitet i forudsagning af slid (R² = 0,91).

3.2 Overfladekvalitet og geometrisk nøjagtighed
Overfladeruhed (Ra) blev primært påvirket af tilgangshastighed og værktøjspolitik-strategi i afsluttende operationer. Ved at reducere fremskydning pr. tand (fz) fra 0,08 mm/tand til 0,05 mm/tand forbedredes gennemsnits-Ra med ca. 25 %. Afgørende var det, at implementering af adaptiv trokoidfræsning til afslutning af tynde vægge (ap = 8 mm, vægtykkelse 1,5 mm) resulterede i en forbedring på 15 % i Ra (gennemsnit 0,32 µm mod 0,38 µm med parallelle baner) og reducerede deledeformation med 30 %, målt ud fra CMM-afvigelse fra den nominelle vægtykkelse (figur 2). Denne strategi reducerede også maskintiden for disse funktioner med 18 % ved at opretholde højere gennemsnitlig materialafrømning gennem konstant værktøjindgrebskontrol.

3.3 Produktivitet og energiforbrug
Specifikke skæreenergi (SCE), en nøgleindikator for proceseffektivitet, faldt med stigende materialefjerningsrate (MRR), som forventet. Ved anvendelse af kryogenisk køling blev der dog opnået en 10-15 % højere SCE sammenlignet med flodkøling ved samme MRR, hvilket tilskrives energiomkostningerne ved levering af LN2. Alligevel førte den betydelige forlængelse af værktøjslevetiden og reduktionen af ikke-skærende tid (værktøjsudskiftning, justeringer) til en netto produktivitetsforbedring på ca. 20 % per emne for komplekse strukturdele, hvilket kompenserede SCE-negativet.

4 Diskussion
Den observerede dramatiske reduktion af værktøjs slid ved anvendelse af pulseret kryogenisk LN2-køling er i overensstemmelse med etablerede mekanismer: LN2 undertrykker effektivt de høje temperaturer i skæreområdet, som er karakteristiske for bearbejdning af titan, og reducerer dermed diffusions- og adhessions-slidmekanismer, som er almindelige ved brug af carbideværktøjer [4, 5]. Den pulserede tilførsel sandsynligvis forbedrer penetrationen til værktøj-kravelflade, mens unødigt forbrug minimeres. Succesen med adaptiv trochoidal fræsning, især for tyndvægge, skyldes opretholdelsen af en næsten konstant radial indgreb og reducerede skræfter, hvilket minimerer værktøjsudbøjning og arbejdsemnets vibrationer [6]. Dette resulterer direkte i forbedret geometrisk nøjagtighed og overfladebevarelse.

En vigtig begrænsning i denne undersøgelse er dens fokus på Ti-6Al-4V. Selvom denne legering er dominerende, udviser andre titanlegeringer (f.eks. Ti-5553, nær-beta-legeringer) forskellige bearbejdningsegenskaber; resultaterne kræver validering for disse materialer. Desuden kræver de økonomiske og miljømæssige konsekvenser ved en bred anvendelse af kryogen LN2 en omhyggelig livscyklusvurdering, som afvejer besparelser i værktøjsomkostninger og produktivitetsforbedringer mod LN2-produktions- og leveringsomkostninger/CO2-aftryk.

For praksis i luftfartindustrien understøtter disse resultater stærkt:

1. Implementering af pulseret kryogen bearbejdning: For kritiske og langvarige titanfræsningoperationer, især formning og halvafslutning, for at maksimere værktøjslevetid og procespålidelighed.

2. Indførelse af adaptive værktøjspår: Især trochoide strategier til afslutning af tyndvæggede luftfartsstrukturer for at forbedre overfladeintegritet, dimensionel nøjagtighed og gennemstrømning.

3. Integrering af værktøjstilstandsovervågning: Ved at bruge spindelmagnitudesignaler opnås en praktisk, maskineintegreret metode til at forudsige værktøjs slid og planlægge ændringer proaktivt, hvilket reducerer risikoen for affald.

5 Konklusion
Denne undersøgelse demonstrerer effektive strategier for at forbedre CNC-bearbejdning af Ti-6Al-4V til krævende strukturelle anvendelser inden for luftfart. Pulsede kryogene væsket kvælstofkøling reducerer markant den hurtige værktøjs slid, som er en primær begrænsning, og gør det muligt at anvende højere bæredygtige skærehastigheder og forlænge værktøjslevetid. Adaptive trochoidale fresemetoder forbedrer overfladebevægelsen, dimensionel nøjagtighed (især for tynde vægge) og den samlede produktivitet sammenlignet med konventionelle parallelle baner. Sammenhængen mellem overvågning af spindelkraft og værktøjs slid giver en anvendelig metode til proceskontrol. Disse resultater giver direkte anvendbare løsninger for luftfartsproducenter, der ønsker at forbedre effektiviteten, pålideligheden og kvaliteten af produktionen af titan komponenter. Fremtidigt arbejde bør undersøge optimering af parametre for kryogen levering (dysetype, puls tid), udvide metoden til andre højtydende titanlegeringer og gennemføre omfattende teknisk-økonomiske og miljømæssige vurderinger af implementeringen af kryogen bearbejdning.