एयरोस्पेस संरचनाओं के लिए टाइटेनियम सीएनसी मशीनिंग

एयरोस्पेस संरचनात्मक अनुप्रयोगों में सीएनसी मशीनिंग के लिए टाइटेनियम मिश्र धातुओं में निहित गुणों जैसे कम उष्मीय चालकता और उच्च रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता के कारण महत्वपूर्ण चुनौतियां होती हैं। यह कार्य Ti-6Al-4V की सीएनसी मशीनिंग को अनुकूलित करने की एक संरचित पद्धति का वर्णन करता है, जो उपकरण पहनावे को कम करने और कठोर ज्यामितीय सहनशीलता प्राप्त करने पर केंद्रित है। मशीनिंग परीक्षणों में उन्नत उपकरण स्थिति निगरानी (टीसीएम) प्रणालियों से लैस मल्टी-एक्सिस सीएनसी केंद्रों का उपयोग किया गया। कटिंग पैरामीटर (गति, फीड, कट की गहराई) और उपकरण पथ रणनीतियों को प्रणालीगत रूप से भिन्न किया गया। परिणामों से पता चलता है कि पल्स क्रायोजेनिक शीतलन के कार्यान्वयन ने पारंपरिक बाढ़ शीतलक की तुलना में औसत फ्लैंक पहनावे को 42% तक कम कर दिया, जबकि अनुकूलित ट्रोचोइडल मिलिंग रणनीतियों ने मशीनिंग समय को 18% तक कम कर दिया और पतली दीवार वाले घटकों के लिए सतह की खुरदरापन (Ra) में 15% की सुधार किया। डेटा विश्लेषण विशिष्ट कटिंग ऊर्जा और प्रगतिशील उपकरण पहनावे के बीच मजबूत सहसंबंध की पुष्टि करता है। ये खोजें महत्वपूर्ण एयरोस्पेस संरचनाओं के लिए मशीनिंग दक्षता और भाग गुणवत्ता में सुधार के लिए कार्यात्मक रणनीतियां प्रदान करती हैं। सीमाओं में Ti-6Al-4V पर ध्यान केंद्रित करना शामिल है; अन्य टाइटेनियम ग्रेड में लागू करने के लिए अतिरिक्त सत्यापन की आवश्यकता होती है।

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आधुनिक एयरोस्पेस डिज़ाइन में प्रदर्शन और ईंधन दक्षता की निरंतर खोज टाइटेनियम मिश्र धातुओं, मुख्य रूप से टीआई-6एएल-4वी के व्यापक उपयोग की आवश्यकता होती है। अपने उत्कृष्ट शक्ति-वजन अनुपात और संक्षारण प्रतिरोध के कारण उन्हें लैंडिंग गियर, इंजन माउंट्स और एयरफ्रेम सेक्शन जैसे महत्वपूर्ण संरचनात्मक घटकों के लिए आदर्श बनाते हैं [1]। हालांकि, ये समान गुण - विशेष रूप से निम्न थर्मल चालकता, उच्च तापमान पर उच्च शक्ति, और उपकरण सामग्री के लिए मजबूत रासायनिक नति - टाइटेनियम को दक्षता और सटीकता से मशीन करना मुश्किल बनाते हैं [2]। चुनौतियां तेजी से उपकरण पहनने, खराब सतह अखंडता, कार्यक्षेत्र विकृति (विशेष रूप से पतले खंडों में), और उत्पादन लागत में वृद्धि के रूप में सामने आती हैं [3]। परिणामस्वरूप, टाइटेनियम एयरोस्पेस संरचनाओं के लिए सीएनसी मशीनिंग प्रक्रियाओं का अनुकूलन एक महत्वपूर्ण औद्योगिक उद्देश्य बना हुआ है। यह कार्य पैरामीटर अनुकूलन और नवाचारी शीतलन रणनीतियों के माध्यम से इन चुनौतियों पर काबू पाने के लिए एक व्यावहारिक पद्धति और प्रायोगिक परिणाम प्रस्तुत करता है, जो विश्वसनीय, लागत प्रभावी उत्पादन प्रोटोकॉल स्थापित करने का उद्देश्य रखता है।

2 विधियाँ
2.1 प्रायोगिक डिज़ाइन और कार्य-वस्तु की सामग्री
जांच की गई मुख्य सामग्री एनील्ड Ti-6Al-4V (ग्रेड 5) प्लेट थी, जो AMS 4911L विनिर्देशों के अनुरूप है। मुख्य मशीनिंग प्रक्रियाओं में पेरिफेरल मिलिंग (रफिंग और फिनिशिंग) और पॉकेटिंग का अध्ययन किया गया, जो एयरोस्पेस संरचनात्मक विशेषताओं का प्रतिनिधित्व करती हैं। कार्य-वस्तुओं को कसकर फिक्सचर में रखा गया था, जिसमें कस्टम वैक्यूम चक और रणनीतिक यांत्रिक क्लैंपिंग का उपयोग किया गया था, कंपन और विक्षेपण को कम करने के लिए, विशेष रूप से पतली-दीवार वाली ज्यामिति के लिए महत्वपूर्ण है।

2.2 मशीनिंग उपकरण और टूलिंग
प्रयोग एक 5-अक्षीय DMG MORI DMU 80 eVo लीनियर सीएनसी मशीनिंग सेंटर (40 किलोवाट स्पिंडल, 18,000 आरपीएम अधिकतम) पर किए गए थे। काटने वाले उपकरण शामिल थे:

• खुरदरी: ठोस कार्बाइड एंड मिल्स (Ø10 मिमी, 4-फ्ल्यूट, ZrN-लेपित) चर हेलिक्स/पिच ज्यामिति के साथ।

• पूर्णता: ठोस कार्बाइड एंड मिल्स (Ø8 मिमी और Ø6 मिमी, 4-फ्ल्यूट, AlTiN-लेपित)।
  उपकरण की स्थिति (पार्श्विक धार वियर VBmax) को सिएमेंस सिन्यूमेरिक 840डी एसएल एकीकृत मॉनिटरिंग के माध्यम से स्पिंडल शक्ति खपत विश्लेषण और कीवेंस वीएचएक्स-7000 डिजिटल माइक्रोस्कोप के माध्यम से अवधि-अवधि पर ऑफलाइन मापन के संयोजन का उपयोग करके प्रक्रिया में मॉनिटर किया गया। सतह की खुरदरापन (Ra, Rz) को मितुतोयो सर्फटेस्ट एसजे-410 प्रोफाइलोमीटर का उपयोग करके मापा गया। ज़ेइस कॉन्टूरा जी2 समन्वय मापन मशीन (सीएमएम) के साथ मापने योग्य सटीकता की पुष्टि की गई।

2.3 प्रक्रिया परिवर्त्य एवं डेटा अधिग्रहण
व्यवस्थित रूप से परीक्षण किए गए मुख्य स्वतंत्र परिवर्त्य इस प्रकार थे:

• कटिंग गति (Vc): 40 मीटर/मिनट - 80 मीटर/मिनट

• प्रति दांत फीड (fz): 0.04 मिमी/दांत - 0.12 मिमी/दांत

• अक्षीय कट की गहराई (ap): 0.5 मिमी - 3.0 मिमी (फिनिशिंग), 5 मिमी - 15 मिमी (रफिंग)

• अरीय कट की गहराई (ae): 0.5 मिमी - 6.0 मिमी (अनुकूलित रणनीतियां)

• शीतलन रणनीति: पारंपरिक बाढ़ इमल्शन (6%), पल्स वाली क्रायोजेनिक तरल नाइट्रोजन (एलएन2)

• टूलपाथ रणनीति: पारंपरिक समानांतर पथ, अनुकूलित ट्रोकोइडल मिलिंग।
  पक्ष घिसाव (VBmax), सतह की खुरदरापन (Ra, Rz), विशिष्ट कटिंग ऊर्जा (SCE), प्रति फीचर मशीनिंग समय, और महत्वपूर्ण फीचरों (दीवार की मोटाई, छेद की स्थिति) पर मापन विचलन को मापा गया। डेटा लॉगिंग सीएनसी नियंत्रण प्रणाली (शक्ति, बलाघूर्ण, समय) से सीधे और ऑफ़लाइन मेट्रोलॉजी के माध्यम से हुई। प्रत्येक स्थिति के लिए कम से कम तीन बार दोहराव किया गया।

3 परिणाम और विश्लेषण
3.1 औजार घिसाव प्रदर्शन
फ्लैंक धार पहनने की प्रगति को शीतलन रणनीति और कटिंग गति द्वारा काफी प्रभावित किया गया। चित्र 1 प्रमुख प्रवृत्ति को दर्शाता है: पल्स क्रायोजेनिक LN2 शीतलन के उपयोग से सभी परीक्षित कटिंग गति की तुलना में पारंपरिक बाढ़ इमल्शन की तुलना में उपकरण पहनने में काफी कमी आई। मध्यम दर (60 मीटर/मिनट) पर, मशीनिंग के बाद सामग्री की एक मानकृत मात्रा के बाद औसत VBmax में क्रायोजेनिक शीतलन का उपयोग करके 42% की कमी आई। बाढ़ शीतलन के तहत उच्च कटिंग गति (80 मीटर/मिनट) ने एक संक्षिप्त अवधि के भीतर उपकरण की आपातकालीन विफलता (चिपिंग) की ओर जाना, जबकि क्रायोजेनिक शीतलन ने मशीनिंग को जारी रखने में सक्षम बनाया, हालांकि कम गति की तुलना में तेजी से पहनने के साथ। स्पिंडल शक्ति संकेतों का विश्लेषण ऑफ़लाइन VBmax माप के साथ मजबूती से सहसंबंधित था, जिससे टीसीएम प्रणाली की पहनने की भविष्यवाणी के प्रभाव की पुष्टि हुई (R² = 0.91)।

3.2 सतह की गुणवत्ता और ज्यामितीय सटीकता
सतह की खुरदरापन (Ra) मुख्य रूप से समापन प्रक्रियाओं में फीड दर और टूलपाथ रणनीति से प्रभावित था। प्रति दांत फीड (fz) को 0.08 मिमी/दांत से घटाकर 0.05 मिमी/दांत करने से Ra में लगभग 25% सुधार हुआ। महत्वपूर्ण बात यह है कि पतली दीवारों के समापन के लिए अनुकूलनीय ट्रोकोइडल मिलिंग को लागू करने से Ra में 15% का सुधार हुआ (औसत 0.32 µm बनाम समानांतर पथों के साथ 0.38 µm) और भाग के विरूपण में 30% की कमी आई, जैसा कि सीएमएम द्वारा नाममात्र दीवार मोटाई से विचलन में मापा गया था (चित्र 2)। इस रणनीति ने इन विशेषताओं के लिए मशीनिंग समय में भी 18% की कमी की, निरंतर उपकरण संलग्नता नियंत्रण के माध्यम से उच्च औसत सामग्री निकालने की दर बनाए रखते हुए।

3.3 उत्पादकता और ऊर्जा खपत
विशिष्ट कटिंग ऊर्जा (SCE), जो प्रक्रिया दक्षता का एक प्रमुख संकेतक है, अपेक्षित रूप से पदार्थ निष्कासन दर (MRR) में वृद्धि के साथ घट गई। हालांकि, क्रायोजेनिक शीतलन के उपयोग से समकक्ष MRR पर बाढ़ शीतलन की तुलना में SCE में 10-15% की वृद्धि हुई, जिसका कारण LN2 वितरण की ऊर्जा लागत थी। इसके बावजूद, औजार जीवन अवधि में हुई महत्वपूर्ण वृद्धि और गैर-कटिंग समय (औजार परिवर्तन, समायोजन) में कमी के कारण प्रति कार्य-वस्तु के लिए जटिल संरचनात्मक भागों के लिए शुद्ध उत्पादकता में लगभग 20% की वृद्धि हुई, जिससे SCE में हुई कमी की भरपाई हो गई।

4 चर्चा
टाइटेनियम मशीनिंग में उच्च कटिंग क्षेत्र के तापमान को प्रभावी ढंग से दबाने के कारण, पल्सड क्रायोजेनिक LN2 कूलिंग का उपयोग करने में औजार के पहनने में देखा गया तेज कमी कार्बाइड उपकरणों के साथ प्रचलित डिफ्यूजन और एडहेसिव पहनने के तंत्र को कम करती है। पल्सड डिलीवरी से संभवतः टूल-चिप इंटरफ़ेस में प्रवेश में सुधार होता है, जबकि अपव्ययी खपत को न्यूनतम कर दिया जाता है। पतली दीवारों के लिए अनुकूलनीय ट्रोकोइडल मिलिंग की सफलता लगभग स्थिर त्रिज्या संलग्नता बनाए रखने और कटिंग बलों को कम करने के कारण होती है, जिससे उपकरण विक्षेपण और कार्यशील कंपन कम हो जाता है। इसका सीधा अनुवाद ज्यामितीय सटीकता और सतह की खत्म में सुधार होता है।

इस अध्ययन की एक प्रमुख सीमा यह है कि इसका ध्यान केवल Ti-6Al-4V पर है। यद्यपि यह सर्वाधिक प्रचलित है, अन्य टाइटेनियम मिश्र धातुएं (उदाहरण के लिए, Ti-5553, नियर-बीटा मिश्र धातुएं) अलग-अलग मशीनिंग विशेषताएं प्रदर्शित करती हैं; इन सामग्रियों के लिए यहां तक के निष्कर्षों की पुष्टि की आवश्यकता है। इसके अतिरिक्त, क्रायोजेनिक LN2 के व्यापक उपयोग के आर्थिक और पर्यावरणीय निहितार्थों का भी जीवन चक्र आकलन के माध्यम से ध्यानपूर्वक मूल्यांकन करने की आवश्यकता है, जिसमें LN2 उत्पादन और वितरण की लागत/कार्बन फुटप्रिंट की तुलना उपकरण बचत और उत्पादकता में वृद्धि से की जाए।

विमानन निर्माण प्रथा के लिए, ये परिणाम निम्नलिखित को मजबूत समर्थन देते हैं:

1. पल्स क्रायोजेनिक मशीनिंग का क्रियान्वयन: महत्वपूर्ण, लंबी अवधि की टाइटेनियम मिलिंग संचालन, विशेष रूप से रफिंग और सेमी-फिनिशिंग के लिए, उपकरण जीवन और प्रक्रिया विश्वसनीयता को अधिकतम करने के लिए।

2. अनुकूली टूलपाथ अपनाना: विशेष रूप से एयरोस्पेस संरचनाओं की पतली दीवारों की फिनिशिंग के लिए ट्रॉकोइडल रणनीतियों के माध्यम से सतह अखंडता, आयामी सटीकता और उत्पादन क्षमता में सुधार करने के लिए।

3. उपकरण स्थिति निगरानी का एकीकरण: स्पिंडल शक्ति संकेतों का उपयोग करने से टूल के क्षय की भविष्यवाणी करने और समय से पहले परिवर्तन तालिका बनाने के लिए एक व्यावहारिक, मशीन-एकीकृत तरीका प्रदान करता है, जिससे खराब होने का जोखिम कम हो जाता है।

5 निष्कर्ष
इस अध्ययन में मांग वाले एयरोस्पेस संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए Ti-6Al-4V की सीएनसी मशीनिंग में वृद्धि के लिए प्रभावी रणनीतियों का प्रदर्शन किया गया है। स्पंदित क्रायोजेनिक तरल नाइट्रोजन शीतलन मुख्य सीमा को काफी कम कर देता है, उच्च स्थायी कटिंग गति और बढ़ी हुई औजार आयु की अनुमति देता है। अनुकूलित ट्रोकोइडल मिलिंग टूलपाथ्स पारंपरिक समानांतर पथों की तुलना में सतह की खत्म, आयामी सटीकता (विशेष रूप से पतली दीवारों के लिए) और समग्र उत्पादकता में सुधार करते हैं। स्पिंडल शक्ति निगरानी और औजार पहनने के बीच सहसंबंध एक व्यवहार्य प्रक्रिया नियंत्रण विधि प्रदान करता है। ये निष्कर्ष एयरोस्पेस निर्माताओं के लिए सीधे लागू समाधान प्रदान करते हैं जो टाइटेनियम घटक उत्पादन की दक्षता, विश्वसनीयता और गुणवत्ता में सुधार की तलाश में हैं। भविष्य के कार्य में क्रायोजेनिक वितरण पैरामीटर (नोजल डिजाइन, स्पंदन समय) के अनुकूलन की जांच करनी चाहिए, विधि को अन्य उच्च-प्रदर्शन टाइटेनियम मिश्र धातुओं तक बढ़ाना चाहिए और क्रायोजेनिक मशीनिंग के कार्यान्वयन के व्यापक तकनीकी-आर्थिक और पर्यावरणीय प्रभाव विश्लेषण करना चाहिए।