Τιτάνιο CNC Κατεργασία για Αεροναυπηγικές Δομές

Οι κράματα τιτανίου παρουσιάζουν σημαντικές προκλήσεις στην κατεργασία CNC για δομικές εφαρμογές στην αεροναυπηγική, λόγω ιδιοτήτων όπως η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και η υψηλή χημική δραστικότητα. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια δομημένη μεθοδολογία για τη βελτιστοποίηση της κατεργασίας CNC του Ti-6Al-4V, με έμφαση στην αντιμετώπιση της φθοράς του εργαλείου και την επίτευξη αυστηρών γεωμετρικών ανοχών. Οι δοκιμές κοπής χρησιμοποίησαν κέντρα CNC πολλαπλών αξόνων εξοπλισμένα με προηγμένα συστήματα παρακολούθησης της κατάστασης των εργαλείων (TCM). Οι παράμετροι κοπής (ταχύτητα, πρόωση, βάθος κοπής) και οι στρατηγικές τροχιάς εργαλείου μεταβλήθηκαν με συστηματικό τρόπο. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εφαρμογή παλμικής κρυογονικής ψύξης μείωσε τη μέση φθορά της όψης κοπής κατά 42% σε σχέση με τη συμβατική ψύξη, ενώ οι προσαρμοστικές στρατηγικές trochoidal φραιζαρίσματος μείωσαν τον χρόνο κατεργασίας κατά 18% και βελτίωσαν την επιφανειακή τραχύτητα (Ra) κατά 15% σε εξαιρετικά λεπτότοιχα εξαρτήματα. Η ανάλυση των δεδομένων επιβεβαιώνει μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της ειδικής ενέργειας κοπής και της σταδιακής φθοράς του εργαλείου. Τα ευρήματα παρέχουν εφαρμόσιμες στρατηγικές για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας κατεργασίας και της ποιότητας των εξαρτημάτων σε κρίσιμες αεροναυπηγικές δομές. Οι περιορισμοί περιλαμβάνουν την εστίαση στο Ti-6Al-4V· η εφαρμογή σε άλλες ποιότητες τιτανίου απαιτεί περαιτέρω επικύρωση.

1
Η αμείλικτη διεκδίκηση της απόδοσης και της καυσίμου απόδοσης στον σύγχρονο αεροπορικό σχεδιασμό επιβάλλει την εκτεταμένη χρήση κραμάτων τιτανίου, κυρίως Ti-6Al-4V. Η εξαιρετική σχέση αντοχής προς βάρος και η αντοχή στη διάβρωση τα καθιστούν ιδανικά για σημαντικά δομικά εξαρτήματα, όπως τα συστήματα πρόσδεσης, οι στηρίξεις κινητήρα και οι δομές του αεροσκάφους [1]. Ωστόσο, αυτές οι ίδιες ιδιότητες – συγκεκριμένα η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, η υψηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και η ισχυρή χημική συγγένεια με τα υλικά των εργαλείων – καθιστούν το τιτάνιο πολύ δύσκολο στην κατεργασία με ακρίβεια και αποτελεσματικότητα [2]. Οι προκλήσεις εμφανίζονται ως γρήγορη φθορά των εργαλείων, κακή ποιότητα της επιφανειακής δομής, πιθανή παραμόρφωση του τεμαχίου (ιδιαίτερα σε λεπτές διατομές) και αυξημένα κόστη παραγωγής [3]. Κατά συνέπεια, η βελτιστοποίηση των διεργασιών CNC κατεργασίας για αεροπορικές κατασκευές από τιτάνιο παραμένει ένας σημαντικός βιομηχανικός στόχος. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια πρακτική μεθοδολογία και πειραματικά αποτελέσματα που επικεντρώνονται στην υπερνίκηση αυτών των προκλήσεων μέσω της βελτιστοποίησης των παραμέτρων και καινοτόμων στρατηγικών ψύξης, με στόχο τη θέσπιση αξιόπιστων και οικονομικά αποτελεσματικών πρωτοκόλλων παραγωγής.

2 Μέθοδοι
2.1 Σχεδιασμός Πειράματος & Υλικό Τεμαχίου
Ως βασικό υλικό εξετάστηκε η κράμα Ti-6Al-4V (βαθμίδα 5) σε κατάσταση επιφανειακής επεξεργασίας (annealed), σύμφωνα με τις προδιαγραφές AMS 4911L. Οι κύριες εργασίες κοπής που μελετήθηκαν ήταν η περιφερειακή φρεζάριση (προεργασία και τελική επεξεργασία) και η επεξεργασία θυλάκων, οι οποίες αποτελούν αντιπροσωπευτικές διαδικασίες στην αεροναυπηγική βιομηχανία για δομικά χαρακτηριστικά. Τα τεμάχια στερεώθηκαν με ασφάλεια χρησιμοποιώντας εξατομικευμένα πνευματικά πλαίσια και στρατηγική μηχανική σύσφιξη για την ελαχιστοποίηση των ταλαντώσεων και της παραμόρφωσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για γεωμετρίες με λεπτά τοιχώματα.

2.2 Εξοπλισμός Κοπής & Εργαλεία
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ένα 5-αξονικό CNC κέντρο κατεργασιών DMG MORI DMU 80 eVo (40 kW ατράκτου, μέγιστη ταχύτητα 18,000 rpm). Τα εργαλεία κοπής περιελάμβαναν:

• Πρώτη εργασία: Εργαλεία φρεζών στερεού κορυφέα (διάμετρος 10 mm, 4 πτερυγίων, επικαλυμμένα με ZrN) με μεταβλητή γεωμετρία έλικας/διαβάθμισης.

• Τελική επεξεργασία: Εργαλεία φρεζών στερεού κορυφέα (διάμετρος 8 mm & 6 mm, 4 πτερυγίων, επικαλυμμένα με AlTiN).
  Η κατάσταση του εργαλείου (φθορά πλευρικής όψης VBmax) παρακολουθείτο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας με τη χρήση ανάλυσης της κατανάλωσης ισχύος του άξονα (Siemens Sinumerik 840D sl ενσωματωμένη παρακολούθηση) και περιοδικές εκτός σύνδεσης μετρήσεις μέσω ενός ψηφιακού μικροσκοπίου Keyence VHX-7000. Η επιφανειακή τραχύτητα (Ra, Rz) μετρήθηκε με προφιλόμετρο Mitutoyo Surftest SJ-410. Η διαστασιακή ακρίβεια επαληθεύθηκε με τη χρήση μηχανής μέτρησης συντεταγμένων Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Μεταβλητές Διαδικασίας & Λήψη Δεδομένων
Οι βασικές ανεξάρτητες μεταβλητές που δοκιμάστηκαν με συστηματικό τρόπο περιελάμβαναν:

• Ταχύτητα Κοπής (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Πρόωση ανά Δόντι (fz): 0,04 mm/δόντι - 0,12 mm/δόντι

• Αξονικό Βάθος Κοπής (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (τελική επεξεργασία), 5 mm - 15 mm (πρόχειρη επεξεργασία)

• Ακτινικό Βάθος Κοπής (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (προσαρμοστικές στρατηγικές)

• Στρατηγική Ψύξης: Συμβατική πλήρης εμλουσία (6%), Παλμική κρυογονική υγρή νιτρογόνο (LN2)

• Στρατηγική Διαδρομής Εργαλείου: Συμβατικές παράλληλες διαδρομές, Προσαρμοστική τροχοειδής φραιζαριστική διαδικασία.
  Οι μετρούμενες εξαρτημένες μεταβλητές ήταν η φθορά στην πλευρά (VBmax), η ανωμαλία της επιφάνειας (Ra, Rz), η ειδική ενέργεια κοπής (SCE), ο χρόνος κατεργασίας ανά χαρακτηριστικό και η διαστασιακή απόκλιση σε κρίσιμα χαρακτηριστικά (πάχος τοίχου, θέση τρύπας). Η καταγραφή δεδομένων πραγματοποιήθηκε απευθείας από το σύστημα ελέγχου CNC (ισχύς, ροπή, χρόνος) και μέσω αποσυνδεδεμένης μετρολογίας. Εκτελέστηκαν τουλάχιστον τρεις επαναλήψεις για κάθε συνθήκη.

3 Αποτελέσματα και Ανάλυση
3.1 Απόδοση Φθοράς της Εργαλειομηχανής
Η πρόοδος της φθοράς της πλευράς επηρεάστηκε σημαντικά από τη στρατηγική ψύξης και την ταχύτητα κοπής. Στο Σχήμα 1 απεικονίζεται η κυρίαρχη τάση: η εφαρμογή παλμικής κρυογονικής ψύξης με LN2 μείωσε δραστικά τη φθορά του εργαλείου σε όλες τις δοκιμασμένες ταχύτητες κοπής σε σύγκριση με τη συμβατική ψύξη με εμαλσιματικό υγρό. Στη μεσαία ταχύτητα (60 m/min), η μέση τιμή VBmax μετά την κατεργασία ενός τυποποιημένου όγκου υλικού μειώθηκε κατά 42% χρησιμοποιώντας κρυογονική ψύξη. Οι υψηλές ταχύτητες κοπής (80 m/min) με ψύξη εμαλσιματικού οδήγησαν σε καταστροφική αστοχία του εργαλείου (αποκολλήσεις) μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενώ η κρυογονική ψύξη επέτρεψε τη συνεχή κατεργασία, αν και με επιταχυνόμενη φθορά σε σχέση με τις χαμηλότερες ταχύτητες. Η ανάλυση των σημάτων ισχύος του κοπτικού άξονα συσχετίστηκε στενά με τις μετρήσεις VBmax εκτός σύρματος, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα του συστήματος TCM για την πρόβλεψη φθοράς (R² = 0,91).

3.2 Ποιότητα Επιφάνειας και Γεωμετρική Ακρίβεια
Η τραχύτητα της επιφάνειας (Ra) επηρεάστηκε κυρίως από την ταχύτητα προώθησης και τη στρατηγική διαδρομής του εργαλείου στις εργασίες οριστικής κατεργασίας. Η μείωση της προώθησης ανά δόντι (fz) από 0,08 mm/δόντι σε 0,05 mm/δόντι βελτίωσε τη μέση τιμή Ra κατά περίπου 25%. Σημαντικό είναι ότι η εφαρμογή προσαρμοστικής τροχοειδούς κοπής για την οριστική κατεργασία λεπτών τοιχωμάτων (ap = 8 mm, πάχος τοιχώματος 1,5 mm) επέφερε βελτίωση 15% στην τιμή Ra (μέση τιμή 0,32 µm αντί 0,38 µm με παράλληλες διαδρομές) και μείωσε την παραμόρφωση του εξαρτήματος κατά 30%, όπως μετρήθηκε με την απόκλιση του CMM από το ονομαστικό πάχος τοιχώματος (Σχήμα 2). Αυτή η στρατηγική μείωσε επίσης τον χρόνο κατεργασίας για αυτά τα χαρακτηριστικά κατά 18%, διατηρώντας υψηλότερους μέσους ρυθμούς αφαίρεσης υλικού μέσω ελέγχου σταθερής συμμετοχής του εργαλείου.

3.3 Παραγωγικότητα και Κατανάλωση Ενέργειας
Η ειδική ενέργεια κοπής (SCE), ένας βασικός δείκτης της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας, μειώθηκε με αύξηση του ρυθμού αφαίρεσης υλικού (MRR), όπως αναμενόταν. Ωστόσο, η χρήση κρυογενικής ψύξης είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της SCE κατά 10-15% σε σχέση με την ψύξη με πλήρη πλημμυρισμό σε ισοδύναμους ρυθμούς MRR, γεγονός που αποδίδεται στο ενεργειακό κόστος παροχής LN2. Παρά ταύτα, η σημαντική παράταση της διάρκειας ζωής του εργαλείου και η μείωση του χρόνου μη κοπής (αλλαγές εργαλείων, ρυθμίσεις) οδήγησαν σε καθαρή αύξηση της παραγωγικότητας περίπου 20% ανά τεμάχιο για πολύπλοκα δομικά εξαρτήματα, αντισταθμίζοντας την ποινή της SCE.

4 Συζήτηση
Η παρατηρούμενη ραγδαία μείωση της φθοράς του εργαλείου με τη χρήση παλμικής κρυογονικής ψύξης LN2 συμφωνεί με τους καθιερωμένους μηχανισμούς: το LN2 αποτελεσματικά περιορίζει τις υψηλές θερμοκρασίες στη ζώνη κοπής που είναι εγγενείς στην κατεργασία του τιτανίου, μειώνοντας έτσι τους μηχανισμούς φθοράς διάχυσης και συνάφειας που είναι κοινοί στα εργαλεία καρβιδίου [4, 5]. Η παλμική παροχή πιθανόν ενισχύει τη διείσδυση στη διεπαφή εργαλείου-σπανιού, ενώ ελαχιστοποιείτην κατανάλωση. Η επιτυχία της προσαρμοστικής τροχοειδούς φραιζαρίσματος, ιδιαίτερα για λεπτά τοιχώματα, προέρχεται από τη διατήρηση σχεδόν σταθερής ακτινικής συμμετοχής και τη μείωση των δυνάμεων κοπής, μειώνοντας την εκτροπή του εργαλείου και την ταλάντωση του τεμαχίου [6]. Αυτό μεταφράζεται άμεσα σε βελτιωμένη γεωμετρική ακρίβεια και ποιότητα επιφάνειας.

Ένα βασικό μειονέκτημα αυτής της μελέτης είναι η εστίασή της στο Ti-6Al-4V. Ενώ επικρατεί, άλλα κράματα τιτανίου (π.χ., Ti-5553, κράματα near-beta) παρουσιάζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά κοπτικότητας· οι παρόντες ισχυρισμοί απαιτούν επιβεβαίωση για εκείνα τα υλικά. Επιπλέον, οι οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις της ευρείας εφαρμογής κρυογόνου N2 χρειάζονται προσεκτική αξιολόγηση κύκλου ζωής, ζυγίζοντας τις εξοικονομήσεις σε εργαλειοθήκες και τα κέρδη στην παραγωγικότητα έναντι του κόστους/αποτυπώματος άνθρακα για την παραγωγή και διανομή LN2.

Για την πρακτική κατασκευής αεροσκαφών, τα αποτελέσματα αυτά υποστηρίζουν με ισχυρό τρόπο:

1. Εφαρμογή Διακοπτόμενης Κρυογονικής Κοπής: Για κρίσιμες, μεγάλης διάρκειας εργασίες φραιζαρίσματος τιτανίου, ιδιαίτερα για προετοιμασία και ημι-τελική επεξεργασία, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η διάρκεια ζωής των εργαλείων και η αξιοπιστία της διαδικασίας.

2. Υιοθέτηση Προσαρμοστικών Διαδρομών Εργαλείων: Κυρίως στρατηγικές trochoidal για την τελική επεξεργασία λεπτότοιχων αεροπορικών δομών, προκειμένου να βελτιωθεί η διαδοχικότητα επιφάνειας, η διαστασιακή ακρίβεια και η παραγωγική δυνατότητα.

3. Ενσωμάτωση Παρακολούθησης Κατάστασης Εργαλείων: Η χρήση σημάτων ισχύος του άξονα παρέχει μια πρακτική, ενσωματωμένη στη μηχανή μέθοδο για την πρόβλεψη φθοράς του εργαλείου και την προγραμματισμένη αντικατάστασή του, μειώνοντας τον κίνδυνο απόρριψης.

5 Συμπεράσματα
Η παρούσα μελέτη παρουσιάζει αποτελεσματικές στρατηγικές για τη βελτίωση της κατεργασίας Ti-6Al-4V σε εργαλειομηχανές CNC για απαιτητικές δομικές εφαρμογές στην αεροναυπηγική. Η παλμική ψυκτική ψύξη με υγρό άζωτο μειώνει σημαντικά την ταχεία φθορά των εργαλείων, η οποία αποτελεί κυρίαρχο περιοριστικό παράγοντα, επιτρέποντας υψηλότερες βιώσιμες ταχύτητες κοπής και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των εργαλείων. Οι προσαρμοστικές διαδρομές τροχοειδούς φραιζαρίσματος βελτιώνουν την ποιότητα της επιφανειακής κατεργασίας, τη διαστασιολογική ακρίβεια (ιδιαίτερα σε λεπτοτοιχωματικές δομές) και τη συνολική παραγωγικότητα σε σχέση με τις συμβατικές παράλληλες διαδρομές. Η συσχέτιση μεταξύ παρακολούθησης της ισχύος του ατράκτου και της φθοράς των εργαλείων προσφέρει μια πρακτική μέθοδο ελέγχου κατά τη διαδικασία. Τα ευρήματα παρέχουν άμεσα εφαρμόσιμες λύσεις για τους κατασκευαστές αεροναυπηγικών εξαρτημάτων που επιδιώκουν βελτίωση της αποτελεσματικότητας, της αξιοπιστίας και της ποιότητας στην παραγωγή εξαρτημάτων από τιτάνιο. Μελλοντικές εργασίες θα πρέπει να ερευνήσουν τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων παροχής ψυκτικού (σχεδιασμός ακροφυσίων, χρονισμός παλμών), να επεκτείνουν τη μεθοδολογία σε άλλα εξαιρετικά ανθεκτικά κράματα τιτανίου και να πραγματοποιήσουν ολοκληρωμένη τεχνοοικονομική και περιβαλλοντική ανάλυση των επιπτώσεων της εφαρμογής ψυχρής κατεργασίας.