Titaaninen CNC-työstö ilmailurakenteisiin

Titaaniseokset aiheuttavat merkittäviä haasteita CNC-työstölle ilmailurakenteissa niiden ominaisuuksien, kuten alhaisen lämmönjohtavuuden ja korkean kemiallisen reaktiivisuuden, vuoksi. Tässä työssä esitetään järjestelmällinen menetelmä Ti-6Al-4V:n CNC-työstön optimoimiseksi, keskittyen työkalun kulumisen vähentämiseen ja tiukkojen geometristen toleranssien saavuttamiseen. Työstökokeet suoritettiin moniakselisilla CNC-koneilla, joissa oli edistetyt työkalun kunnon seurantajärjestelmät (TCM). Leikkausparametrit (nopeus, syöttö, leikkaussyvyys) ja työkalureitit vaihtelivat järjestelmällisesti. Tulokset osoittivat, että jäähtymisnesteen käyttö pulssimaisesti vähensi keskimääräistä sivukulumaa 42 % verrattuna perinteiseen kylmänesteen käyttöön, kun taas adaptiiviset trokoidimyllyntistrateegiat vähensivät työstöaikaa 18 % ja paransivat pinnankarheutta (Ra) 15 % ohutseinämäisillä komponenteilla. Tiedon analyysi vahvisti vahvan korrelaation leikkausenergian ja työkalun kulumisen välillä. Näillä löydöksillä on käytännönläheisiä strategioita työstön tehokkuuden ja osien laadun parantamiseksi kriittisissä ilmailurakenteissa. Rajoitukset liittyvät Ti-6Al-4V:tä koskevaan keskittymiseen; muiden titaanilaatujen soveltuvuus vaatii lisävahvistusta.

1
Nykyisten ilmailutekniikan suunnittelun vaatimusten mukaan tehokkuuden ja polttoaineen säästön takaamiseksi on laajasti käytettävä titaaniseoksia, erityisesti Ti-6Al-4V:ää. Erinomainen lujuus-painosuhde ja korroosionkestävyys tekevät siitä ideaalisen materiaalin kriittisiin rakennekomponentteihin, kuten laskutelineisiin, moottoritukiin ja runkorakenteisiin [1]. Kuitenkin nämä samat ominaisuudet – erityisesti alhainen lämmönjohtavuus, korkea lujuus korkeassa lämpötilassa ja vahva kemiallinen ystävyyys työkalumateriaaleihin – tekevät titaanista tunnetusti vaikean materiaalin, jonka kanssa työstö on tehokasta ja tarkasti [2]. Haasteet ilmenevät nopeana työkalujen kulumisena, huonona pinnanlaatuna, mahdollisena työkappaleen vääristymisenä (erityisesti ohutseinämäisissä osissa) ja korkeina valmistuskustannuksina [3]. Näin ollen titaanirakenteisten lentokoneiden CNC-työstöprosessien optimointi jää edelleen tärkeäksi teolliseksi tavoitteeksi. Tämä työ esittelee käytännönläheisen menetelmän ja kokeellisia tuloksia, joilla pyritään voittamaan mainitut haasteet parametrien optimoinnin ja innovatiivisten jäähdytysstrategioiden avulla, pyrkien luomaan luotettavat ja kustannustehokkaat valmistusprotokollat.

2 Menetelmät
2.1 Kokeellinen suunnittelu ja työkappaleen materiaali
Tutkittu ydinpohjamateriaali oli valmistelevasti valmistettu Ti-6Al-4V (luokka 5) levy, joka vastaa AMS 4911L -määrityksiä. Tutkitut pääasialliset koneistusoperaatiot olivat kehäjyrsintä (vihollaus ja hionta) ja taskujen valmistus, jotka ovat tyypillisiä lentokoneiden rakennetta edustavia toimintoja. Työkappaleet kiinnitettiin turvallisesti käyttämällä räätälöityjä imupidikkeitä ja strategista mekaanista puristusta värähtelyn ja taipumisen minimoimiseksi, erityisesti ohutseinämäisille geometrioille kriittistä.

2.2 Koneistusvälineet ja työkalut
Kokeet tehtiin 5-akselisella DMG MORI DMU 80 eVo -sarjan CNC-koneistuskeskuksella (40 kW akseli, 18 000 rpm maksimi). Leikkaustyökaluihin kuului:

• Alkuperäinen leikkaus: Kiinteät kovametallipäät (Ø10 mm, 4-kierrekulma, ZrN-pinnoitettu), joissa on muuttuva kierre/jaon geometria.

• Viimeistely: Kiinteät kovametallipäät (Ø8 mm & Ø6 mm, 4-kierrekulma, AlTiN-pinnoitettu).
  Työkalun kunto (sivukulman kuluminen VBmax) seurattiin reaaliaikaisesti mittaamalla karan tehonkulutusta (Siemens Sinumerik 840D sl -integroitu seuranta) ja käyttämällä Keyence VHX-7000 -digitaalista mikroskooppia säännöllisin väliajoin. Pinnankarheutta (Ra, Rz) mitattiin Mitutoyon Surftest SJ-410 -profiilimittarilla. Mittatarkkuus varmistettiin Zeiss CONTURA G2 -koordinaattimittauskoneella (CMM).

2.3 Prosessimuuttujat ja tietojen keruu
Kokeiluun valitut keskeiset riippumattomat muuttujat sisälsivät:

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

• Hampaakohtainen syöttö (fz): 0,04 mm/hammas - 0,12 mm/hammas

• Aksiaalinen leikkaussyvyys (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (viimeistely), 5 mm - 15 mm (raapiminen)

• Säteittäinen leikkaussyvyys (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptiiviset strategiat)

• Jäähdytysstrategia: Perinteinen suihkutus emulsiolla (6 %), Pulssitettu kryogeeninen nestetypellä (LN2)

• Työkalureitti-strategia: Perinteiset rinnakkaisreitit, Adaptiivinen trokoidimyllynointi.
  Mitatut riippuvat muuttujat olivat sivukulum (VBmax), pinnankarheus (Ra, Rz), ominaisleikkuuenergia (SCE), työstöaika per ominaisuus ja kriittisten ominaisuuksien (seinämänpaksuus, reiän sijainti) dimensiovirhe. Tietojen keruu tapahtui suoraan CNC-ohjausjärjestelmästä (teho, vääntö, aika) ja offline-mittauksien kautta. Jokaista ehdossa vähintään kolme toistoa suoritettiin.

3 Tulokset ja analyysi
3.1 Työkalun kulumisominaisuudet
Kylmästrategialla ja leikkausnopeudella oli merkittävä vaikutus reunojen kulumisen kehittymiseen. Kuva 1 havainnollistaa hallitsevaa trendiä: kryogeenisen nestetypen käyttö pulssitettuna vähensi työkalun kulumista kaikilla testatuilla leikkausnopeuksilla verrattuna perinteiseen emulsioiden käyttöön. Keskitasoisella nopeudella (60 m/min) keskimääräinen VBmax laski 42 %, kun työstettiin standardoitu määrä materiaalia kryogeenisella jäähdytyksellä. Korkeilla leikkausnopeuksilla (80 m/min) emulsioiden käytöstä seurasi nopea työkalun rikkoutuminen (sirpaleet), kun taas kryogeeninen jäähdytys mahdollisti jatkuvan työstön, vaikka kulumisnopeus oli suurempaa matalampien nopeuksien kanssa vertailtaessa. Pääakselin tehotietojen analyysi korreloi vahvasti offline-VBmax-mittausten kanssa, mikä vahvisti TCM-järjestelmän tehokkuuden kulumisen ennustamisessa (R² = 0,91).

3.2 Pinnanlaatu ja geometrinen tarkkuus
Pinnankarheutta (Ra) vaikutti ensisijaisesti syöttönopeus ja työkalunpolun strategia viimeistelyssä. Syötön väheneminen hampaaseen kohden (fz) 0,08 mm/hammas 0,05 mm/hammas paransi keskimääräistä Ra:ta noin 25 %. Tärkeää, että adaptiivisen trochoidimyllyn käyttöönotto ohutseinämien viimeistelyyn (ap = 8 mm, seinämänpaksuus 1,5 mm) tuotti 15 %:n parannuksen Ra-arvoon (keskimäärin 0,32 µm vs. 0,38 µm käyttämällä rinnakkaisia polkuja) ja vähensi osan vääntymistä 30 %, CMM:n mittaaman nimellisen seinämänpaksuuden poikkeaman mukaan (Kuva 2). Tämä strategia vähensi myös työstöaikaa näille ominaisuuksille 18 % ylläpitämällä korkeampaa keskimääräistä poistotehoa työkalun jatkuvan käyttöohjauksen avulla.

3.3 Tuotanto ja energiankulutus
Specific Cutting Energy (SCE), joka on tärkeä prosessitehokkuuden indikaattori, väheni odotetusti kohottaessa poistettavan materiaalin määrää (MRR). Kryogeenisen jäähdytyksen käytöstä johtui kuitenkin 10–15 % korkeampi SCE verrattuna koko pinnan jäähdytykseen samalla MRR:llä, mikä johtui nestetypen (LN2) toimitukseen liittyvistä energiakustannuksista. Siitä huolimatta työkalun käyttöiän merkittävä pidentyminen ja ei-työstöaikojen (työkalunvaihdot, säädöt) vähentyminen johtivat noin 20 %:n tuotantotehokkuuden parantumiseen per työstökappale monimutkaisiin rakenneteosiin, mikä kompensoi SCE:hyn liittyvän haitan.

4 Keskustelu
Havaittu jyrkkä työkalujen kulumisen väheneminen käytettäessä pulssoitua kryogeenistä nestetypellä (LN2) jäähdytystä vastaa vakiintuneita mekanismeja: LN2 poistaa tehokkaasti titaanin koneistuksessa syntyvät korkeat leikkuuvyöhykkeen lämpötilat, vähentäen tungstenikarbidityökaluilla esiintyviä diffuusio- ja adhesiokulumismekanismeja [4, 5]. Pulssoitu toimitustapa todennäköisesti parantaa jäähdytysaineen tunkeutumista työkalun ja lastun väliin samalla kun vähennetään kulumista. Mukautuvan trochoidaalisen jyrsinnän menestyminen, erityisesti ohutseinämäisten kappaleiden kohdalla, johtuu siitä, että säteittäinen leikkausjako pysyy lähes vakiona ja leikkausvoimat ovat pienemmät, mikä vähentää työkalun taipumista ja työkappaleen värähtelyä [6]. Tämä johtaa suoraan parempaan geometriseen tarkkuuteen ja pinnanlaatuun.

Tämän tutkimuksen keskeinen rajoitus on sen keskittyminen Ti-6Al-4V -materiaaliin. Vaikka Ti-6Al-4V on yleisesti käytössä, muut titaaniseokset (esim. Ti-5553, lähes beeta-seokset) voivat olla erilaisia työstettävyydeltään; saatujen tulosten pätevyyttä on arvioitava uudelleen näille materiaaleille. Lisäksi kriittistä on arvioida kriogeenisen nestetypen laajamittaisen käytön taloudelliset ja ympäristövaikutukset elinkaaritarkastelulla, jossa otetaan huomioon työkalukustannusten säästöt ja tuotantotehokkuuden parannukset sekä nestetypen tuotannon ja toimituskustannukset/hiilijalanjälki.

Ilmailuteollisuuden valmistuskäytännöissä nämä tulokset tukevat vahvasti seuraavia toimia:

1. Käytä pulssattua kriogeenistä työstöä: Kriittisissä, pitkäkestoisissa titaanin jyrsityöprosesseissa, erityisesti raakaprosessoinnissa ja puolivalmistuksessa, työkalun eliniän ja prosessin luotettavuuden maksimoimiseksi.

2. Hyväksy mukautuvat työkalureitit: Erityisesti trokoidityyppiset strategiat ohutseinämäisten ilmailurakenteiden viimeistelyssä pintaominaisuuksien, mitoituksen tarkkuuden ja tuotantokapasiteetin parantamiseksi.

3. Toteuta työkalun kunnonvalvonta: Pyöritystehon signaalien käyttö tarjoaa käytännöllisen, koneeseen integroidun menetelmän työkalujen kulumisen ennustamiseksi ja vaihtojen ajastamiseksi etukäteen, mikä vähentää hylkäysriskiä.

5 Johtopäätös
Tämä tutkimus osoittaa tehokkaita strategioita Ti-6Al-4V:n sorvauksen parantamiseksi vaativiin lentokoneiden rakennetekniikan sovelluksiin. Pulsoidun kryogeenisen nestetypellä tehty jäähtyminen vähentää merkittävästi nopeaa työkalun kulumista, joka on pääasiallinen rajoittava tekijä, mahdollistaen korkeammat kestävät leikkausnopeudet ja pidemmän työkalun käyttöiän. Adaptiivinen trochoidaaliporausparadat parantavat pinnanlaatua, mittatarkkuutta (erityisesti ohutseinämille) ja tuotantotehokkuutta verrattuna perinteisiin rinnakkaisiin reitteihin. Pääsähkömoottorin tehon seurannan ja työkalun kulumisen välinen korrelaatio tarjoaa toimivan valvontamenetelmän prosessin aikana. Näillä löydöillä on suoraan sovellettavissa ratkaisuja lentokonevalmistajille, jotka pyrkivät parantamaan titaanikomponenttien valmistuksen tehokkuutta, luotettavuutta ja laatua. Tulevan työn tulisi tutkia kryogeenisen toimituksen parametrien optimointia (suuttasuunnittelu, pulssien ajot), laajentaa menetelmää muihin suorituskykyisiin titaanisekkeisiin ja tehdä kattava teknis-taloudellinen ja ympäristövaikutusten analyysi kryogeenisen sorvauksen käyttöönotosta.