Mecanizado CNC de titanio para estruturas aeroespaciais

As ligazóns de titánio presentan retos significativos para o mecanizado CNC en aplicacións estruturais aeroespaciais debido a propiedades inherentes como a baixa condutividade térmica e a alta reactividade química. Este traballo detalla unha metodoloxía estruturada para optimizar o mecanizado CNC do Ti-6Al-4V, centrándose en mitigar o desgaste da ferramenta e lograr tolerancias xeométricas estritas. Os ensaios de mecanizado empregaron centros CNC de múltiples eixos equipados con sistemas avanzados de monitorización do estado das ferramentas (TCM). Os parámetros de corte (velocidade, avance, profundidade de corte) e as estratexias de percorrido da ferramenta variáronse de xeito sistemático. Os resultados demostran que a implementación de arrefriamento crioxénico pulsado reduciu o desgaste medio da cara en 42% en comparación co arrefriamento convencional, mentres que as estratexias adaptativas de fresado trocoidal diminuíron o tempo de mecanizado en 18% e melloraron a rugosidade superficial (Ra) en 15% para compoñentes de pardeces finas. A análise dos datos confirma unha forte correlación entre a enerxía específica de corte e o desgaste progresivo da ferramenta. Estes resultados proporcionan estratexias aplicables para mellorar a eficiencia do mecanizado e a calidade das pezas en estruturas aeroespaciais críticas. As limitacións inclúen o enfoque no Ti-6Al-4V; a aplicabilidade a outras cualificacións de titánio require máis validación.

1
A busca inexorable de mellor rendemento e eficiencia no consumo no deseño aeroespacial moderno require o uso extensivo de aliaxes de titánio, principalmente Ti-6Al-4V. A súa excepcional relación resistencia-peso e a súa resistencia á corrosión fánnos ideais para compoñentes estruturais críticos como trens de aterrizaxe, soportes do motor e seccións do fuseliño [1]. Con todo, estas mesmas propiedades, especialmente a baixa condutividade térmica, a alta resistencia a temperaturas elevadas e a forte afinidade química con materiais de ferramentas, fan que o titánio sexa notoriamente difícil de mecanizar de xeito eficiente e preciso [2]. Os desafíos preséntanse como desgaste rápido das ferramentas, integridade superficial deficiente, posible deformación da peza (especialmente en seccións finas) e custos de produción elevados [3]. En consecuencia, a optimización dos procesos de mecanizado CNC para estruturas aeroespaciais de titánio segue sendo un obxectivo industrial crítico. Este traballo presenta unha metodoloxía práctica e resultados experimentais enfocados en superar estes desafíos a través da optimización dos parámetros e estratexias innovadoras de arrefriamento, co fin de establecer protocolos de produción fiábeis e económicos.

2 Métodos
2.1 Deseño experimental e material da peza
O material básico investigado foi chapa de Ti-6Al-4V (Grao 5) recocida, axeitada ás especificacións AMS 4911L. As operacións de mecanizado principais estudadas foron o freseado periférico (desbaste e acabado) e o freseado de peteiros, representativos das características estruturais comúns na industria aeroespacial. As pezas foron fixadas de forma segura mediante mordazas de baleiro personalizadas e un apertado mecanizado estratéxico para minimizar a vibración e a flexión, especialmente crítico para xeometrías de parde fina.

2.2 Equipamento de mecanizado e ferramentas
Os experimentos levaronse a cabo nun centro de mecanizado CNC de 5 eixos DMG MORI DMU 80 eVo (40 kW de fuso, 18.000 rpm máx.). As ferramentas de corte incluíron:

• Desbaste: Fresas integrais de carburo (Ø10 mm, 4 canais, recubertas con ZrN) con xeometría de hélice/paso variable.

• Acabado: Fresas integrais de carburo (Ø8 mm e Ø6 mm, 4 canais, recubertas con AlTiN).
  A condición da ferramenta (desgaste lateral VBmax) foi monitorizada durante o proceso mediante unha combinación de análise do consumo de potencia do eixe (monitorización integrada Siemens Sinumerik 840D sl) e medicións periódicas desligadas mediante un microscopio dixital Keyence VHX-7000. A rugosidade superficial (Ra, Rz) foi medida empregando un perfilómetro Mitutoyo Surftest SJ-410. A precisión dimensional foi verificada cunha máquina de medición de coordenadas Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variables do proceso e adquisición de datos
As variables independentes clave que se probaron de forma sistemática incluíron:

• Velocidade de corte (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Avance por dente (fz): 0,04 mm/dente - 0,12 mm/dente

• Profundidade axial de corte (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (acabado), 5 mm - 15 mm (desbaste)

• Profundidade radial de corte (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (estratexias adaptativas)

• Estratexia de arrefriamento: Emulsión convencional (6%), Nitróxeno crioxénico pulsado (LN2)

• Estratexia de traxectoria da ferramenta: Camiños paralelos convencionais, Fresado trocoidal adaptativo.
  As variables dependentes medidas foron o desgaste de flanco (VBmax), a rugosidade superficial (Ra, Rz), a enerxía específica de corte (SCE), o tempo de mecanizado por característica e a desviación dimensional en características críticas (espesor da parede, posición do furado). O rexistro de datos ocorreu directamente desde o sistema de control CNC (potencia, torque, tempo) e mediante metroloxía offline. Realizáronse polo menos tres réplicas por condición.

3 Resultados e Análise
3.1 Rendemento do desgaste da ferramenta
O progreso do desgaste lateral viuse notablemente influenciado pola estratexia de arrefriamento e a velocidade de corte. A figura 1 ilustra a tendencia dominante: empregar un arrefriamento crioxénico pulsado con LN2 reduciu drasticamente o desgaste da ferramenta en todas as velocidades de corte probadas en comparación co arrefriamento convencional por inundación con emulsión. Na velocidade intermedia (60 m/min), o VBmax medio tras maquinar un volume estandarizado de material reduciuse nun 42% empregando arrefriamento crioxénico. As altas velocidades de corte (80 m/min) baixo arrefriamento por inundación provocaron fallos catastróficos da ferramenta (lascar) nun curto período, mentres que o arrefriamento crioxénico permitiu continuar o maquinado, aínda que con desgaste acelerado en comparación cos valores máis baixos de velocidade. O análisis dos sinais de potencia do eixe principal correlacionouse fortemente coas medicións offline de VBmax, confirmando a eficacia do sistema TCM para a predición do desgaste (R² = 0,91).

3.2 Calidade superficial e exactitude xeométrica
A rugosidade superficial (Ra) viuse afectada principalmente pola velocidade de avance e pola estratexia de ferramenta no acabado. A redución da avance por diñeiro (fz) de 0,08 mm/diñeiro a 0,05 mm/diñeiro mellorou a Ra media en aproximadamente o 25%. De forma crucial, a implementación de fresado trocoidal adaptativo para o acabado de paréns finas (ap = 8 mm, espesor de paré 1,5 mm) proporcionou unha mellora do 15% en Ra (media de 0,32 µm fronte a 0,38 µm con traxectorias paralelas) e reduciu a deformación da peza nun 30%, medido mediante a desviación do CMM respecto ao espesor nominal da paré (Figura 2). Esta estratexia tamén reduciu o tempo de mecanizado destas características nun 18%, ao manter taxas máis altas de eliminación de material grazas ao control constante da implicación da ferramenta.

3.3 Produtividade e consumo de enerxía
A enerxía específica de corte (SCE), un indicador clave da eficiencia do proceso, diminuíu co aumento da taxa de eliminación de material (MRR), como se esperaba. Con todo, o uso de arrefriamento crioxénico provocou un SCE un 10-15% máis alto en comparación co arrefriamento por inundación en MRR equivalentes, atribuído ao custo enerxético da entrega de LN2. A pesar disto, a considerable extensión da vida da ferramenta e a redución do tempo de non corte (cambios de ferramentas, axustes) levou a un aumento neto da produtividade de aproximadamente o 20% por peza para pezas estruturais complexas, compensando a penalización do SCE.

4 Discusión
A redución observada no desgaste da ferramenta ao usar arrefriamento crioxénico pulsado con LN2 aliñáse con mecanismos establecidos: o LN2 suprime eficazmente as altas temperaturas na zona de corte inherentes ao mecanizado do titanio, reducindo así os mecanismos de desgaste por difusión e adhesión habituais nas ferramentas de carburo [4, 5]. A aplicación pulsada probablemente mellora a penetración na interface ferramenta-lasa mentres minimiza o consumo innecesario. O éxito do fresado milingroide adaptativo, especialmente para paredes finas, derívase de manter unha participación radial case constante e forzas de corte reducidas, minimizando a flexión da ferramenta e a vibración da peza [6]. Isto tradúcese directamente nunha maior precisión xeométrica e mellor acabado superficial.

Unha limitación clave deste estudo é o seu enfoque en Ti-6Al-4V. Aínda que dominante, outras ligas de titano (por exemplo, Ti-5553, ligas próximas ao beta) presentan características de maquinabilidade diferentes; os resultados aquí obtidos requiren validación para eses materiais. Ademais, as implicacións económicas e ambientais da adopción xeneralizada de LN2 crioxénico requiren unha avaliación coidadosa do ciclo de vida, equilibrando os aforros en ferramentas e as ganancias de produtividade fronte aos custos/pegada de carbono da produción e distribución de LN2.

Para a práctica na fabricación aeroespacial, estes resultados apoian claramente:

1. Implementar Maquinaxe Crioxénica Pulsada: Para operacións críticas de fresado de titano de longa duración, especialmente desbaste e semi-acabado, para maximizar a vida útil das ferramentas e a fiabilidade do proceso.

2. Adoptar Traxectorias Adaptativas de Ferramenta: En particular, estratexias trocoidais para o acabado de estruturas aeroespaciais de parde fina para mellorar a integridade superficial, a precisión dimensional e a produtividade.

3. Integrar o Monitorizado do Estado das Ferramentas: A utilización de sinais de potencia do eixe proporciona un método práctico integrado na máquina para predicir o desgaste da ferramenta e programar cambios de forma proactiva, reducindo o risco de refugallos.

5 Conclusión
Este estudo demostra estratexias efectivas para mellorar a mecanización CNC de Ti-6Al-4V para aplicacións estruturais aeroespaciais exigentes. O arrefriamento cun nitróxeno líquido crioxénico pulsado reduce significativamente o desgaste rápido da ferramenta, unha limitación principal, posibilitando velocidades de corte máis altas e sostibles, así como unha maior vida útil da ferramenta. As traxectorias de ferramenta adaptativas de milling trocoidal melloran o acabado superficial, a precisión dimensional (especialmente en muros finos) e a produtividade xeral en comparación coas traxectorias paralelas convencionais. A correlación entre o monitorizado da potencia do eixe principal e o desgaste da ferramenta ofrece un método viable de control en proceso. Estes resultados proporcionan solucións directamente aplicables para os fabricantes aeroespaciais que buscan mellorar a eficiencia, a fiabilidade e a calidade na produción de compoñentes de titano. Traballo futuro debería investigar a optimización dos parámetros de entrega crioxénica (deseño do bico, temporización dos pulsos), estender a metodoloxía a outras aleacións de titano de alto rendemento e levar a cabo análises comprensivas do impacto tecnológico-económico e ambiental da implementación do mecanizado crioxénico.