Titanijevi CNC tokar za zračne strukture

Titanijevi slitini predstavljaju značajan izazov za CNC obradu u zrakoplovno-kosmičkim strukturnim primjenama zbog inherentnih svojstava poput niske toplinske vodljivosti i visoke kemijske reaktivnosti. Ovaj rad detaljno opisuje strukturiranu metodologiju optimizacije CNC obrade Ti-6Al-4V slitine, s naglaskom na smanjenje trošenja alata i postizanje strogo definiranih geometrijskih tolerancija. Ispitivanja su uključivala višeosne CNC centar sredstvima opremljenim naprednim sustavima za praćenje stanja alata (TCM). Parametri rezanja (brzina, posmak, dubina rezanja) i strategije kretanja alata sistematski su varirani. Rezultati pokazuju da primjena pulsne kriogenske hladnjave smanjuje prosječno trošenje ruba alata za 42% u usporedbi s konvencionalnom hladnjavom, dok strategije adaptivnog trohoidalnog glodanja smanjuju vrijeme obrade za 18% i poboljšavaju hrapavost površine (Ra) za 15% kod tankostjenih komponenata. Analiza podataka potvrđuje jaku korelaciju između specifične energije rezanja i progresivnog trošenja alata. Ovi rezultati nude praktične strategije za poboljšanje učinkovitosti obrade i kvalitete komponenti u kritičnim zrakoplovno-kosmičkim strukturama. Ograničenja uključuju fokus samo na Ti-6Al-4V; primjenjivost na druge titanove slitine zahtijeva daljnju validaciju.

1
Neprekidno teženje ka postizanju boljih performansi i efikasnijoj potrošnji goriva u savremenoj projektantskoj avio industriji zahtijeva široku upotrebu slitina titana, uglavnom Ti-6Al-4V. Njihov izuzetan odnos između čvrstoće i težine i otpornost na koroziju čini ih idealnima za ključne strukturne komponente poput nogica za slijetanje, nosača motora i dijelova trupa [1]. Međutim, upravo ta svojstva – posebno niska termalna provodljivost, visoka čvrstoća na povišenim temperaturama i snažna hemijska povezanost sa materijalima alata – čine titanske slitine veoma teškim za preciznu i efikasnu mehaničku obradu [2]. Ovo se ogleda u brzom trošenju alata, lošem kvalitetu obradjene površine, mogućoj deformaciji materijala (posebno kod tankih presjeka) i povećanim proizvodnim troškovima [3]. Dakle, optimizacija CNC procesa za obradu titanovih struktura u avio industriji ostaje ključni cilj u proizvodnji. Ovaj rad predstavlja praktičnu metodologiju i eksperimentalne rezultate usmjerene na prevazilaženje ovih poteškoća kroz optimizaciju parametara i inovativne metode hlađenja, s ciljem uspostavljanja pouzdanih i ekonomičnih proizvodnih protokola.

2 Metode
2.1 Eksperimentalni dizajn i materijal komada
Istraživani osnovni materijal bio je žaren ploča Ti-6Al-4V (razred 5), u skladu s tehničkim specifikacijama AMS 4911L. Primarno istraživane operacije su bile periferna obrada (gruba i fina obrada) i izrada džepova, što je karakteristično za uobičajene strukturne elemente u zrakoplovstvu. Komadi su bili čvrsto učvršćeni pomoću prilagođenih vakuumskih stezaljki i ciljane mehaničke fiksacije kako bi se smanjila vibracija i progib, što je posebno važno za tanke zidove.

2.2 Oprema za obradu i alati
Eksperimenti su provedeni na 5-osi DMG MORI DMU 80 eVo linearnom CNC stroju (40 kW glava, maksimalni broj okretaja 18,000). Alati za rezanje su uključivali:

• Gruba obrada: Cilindrični tvrdokvalitetni glodala (Ø10 mm, 4-kraka, prevučena ZrN slojem) s varijabilnim heliksom/korakom.

• Završetak: Cilindrični tvrdokvalitetni glodala (Ø8 mm i Ø6 mm, 4-kraka, prevučena AlTiN slojem).
  Stanje alata (habanje po stranama VBmax) praćeno je tijekom procesa kombinacijom analize potrošnje snage vretena (monitoring integriran u Siemens Sinumerik 840D sl) i periodičnim vanjskim mjerenjima pomoću digitalnog mikroskopa Keyence VHX-7000. Hrapavost površine (Ra, Rz) mjerena je profilometrom Mitutoyo Surftest SJ-410. Dimenzionalna točnost verificirana je koordinatnom mjerilnom mašinom Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Procesne varijable i prikupljanje podataka
Ključne neovisne varijable koje su sustavno testirane uključuju:

• Brzina rezanja (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Posmak po zubu (fz): 0,04 mm/zub - 0,12 mm/zub

• Aksijalna dubina rezanja (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finiširanje), 5 mm - 15 mm (grubo obrađivanje)

• Radijalna dubina rezanja (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptivne strategije)

• Strategija hlađenja: Konvencionalna emulzija (6%), Impulsnim tekućim dušikom (LN2)

• Strategija alatne staze: Konvencionalne paralelne staze, Adaptivno trohoidalno glodanje.
  Mjerene su ovisne varijable: trošenje bokova (VBmax), hrapavost površine (Ra, Rz), specifična energija rezanja (SCE), vrijeme obrade po karakteristici i dimenzionalna odstupanja na kritičnim karakteristikama (debljina zida, pozicija rupe). Prijenos podataka izvršen je izravno iz CNC sustava upravljanja (snaga, moment, vrijeme) i putem offline metrologije. Za svaki uvjet izvedeno je najmanje tri replikacije.

3 Rezultati i analiza
3.1 Trošenje alata
Napredak trošenja alata bio je u velikoj mjeri utjecan strategijom hlađenja i brzinom rezanja. Slika 1 prikazuje dominirajući trend: primjena pulsiranog kriogenog hlađenja LN2 znatno je smanjila trošenje alata na svim testiranim brzinama rezanja u usporedbi s konvencionalnim poplavnim emulzijama. Kod srednje brzine rezanja (60 m/min), prosječna VBmax nakon obrade standardiziranog volumena materijala smanjena je za 42% korištenjem kriogenog hlađenja. Visoke brzine rezanja (80 m/min) uz poplavno hlađenje dovele su do katastrofalnog oštećenja alata (ljuštenje) u kratkom vremenu, dok je kriogeno hlađenje omogućilo kontinuiranu obradu, iako s ubrzanim trošenjem u usporedbi s nižim brzinama. Analiza signala snage vretena jasno se povezala s offline mjerenjima VBmax, čime je potvrđena učinkovitost TCM sustava za predviđanje trošenja (R² = 0,91).

3.2 Kvaliteta površine i geometrijska točnost
Hrapavost površine (Ra) u najvećoj je mjeri utjecala brzina posmaka i strategija alatne staze pri završnom obradi. Smanjenje posmaka po zubu (fz) s 0,08 mm/zub na 0,05 mm/zub poboljšalo je prosječnu Ra vrijednost za otprilike 25%. Ključno, primjena adaptivnog trohoidalnog glodanja pri završnoj obradi tankih zidova (ap = 8 mm, debljina zida 1,5 mm) rezultiralo je poboljšanjem Ra vrijednosti za 15% (prosječno 0,32 µm u usporedbi s 0,38 µm kod paralelnih staza) i smanjenjem deformacije komada za 30%, što je izmjereno odstupanjem KIM-a od nazivne debljine zida (Slika 2). Ova strategija također je smanjila vrijeme obrade za ove značajke za 18%, jer su postignute više prosječne brzine uklanjanja materijala uz pomoć kontrole stalnog zahvata alata.

3.3 Produktivnost i potrošnja energije
Specifična sječna energija (SCE), ključni pokazatelj učinkovitosti procesa, smanjila se s povećanjem brzine uklanjanja materijala (MRR), kao što je i očekivano. Međutim, korištenje kriogenog hlađenja rezultiralo je za 10-15% višom SCE u usporedbi s poplavnim hlađenjem pri jednakom MRR, što se pripisuje energetskim troškovima isporuke LN2. Unatoč tome, značajno produljenje vijeka trajanja alata i smanjenje vremena bez rezanja (izmjena alata, podešavanja) dovelo je do neto povećanja produktivnosti od otprilike 20% po komadu za složene strukturne dijelove, čime je kompenziran SCE nedostatak.

4 Rasprava
Zapaženo drastično smanjenje trošenja alata pri korištenju pulsne kriogene LN2 hladilne tekućine usklađeno je s utvrđenim mehanizmima: LN2 učinkovito potiskuje visoke temperature zone rezanja svojstvene obradi titanijevih slitina, time smanjujući mehanizme trošenja difuzijom i adhezijom koji su česti kod alata od tvrdog metala [4, 5]. Pulsni način isporuke vjerojatno povećava prodiranje u alatno-čipski kontakt, istovremeno minimizirajući nepotrebnu potrošnju. Uspeh adaptivnog trohoidalnog glodanja, posebno za tanke zidove, proizlazi iz održavanja skoro konstantnog radijalnog priključenja i smanjenih sila rezanja, čime se minimalizira otklon alata i vibracije obratka [6]. To se izravno prevodi u poboljšanu geometrijsku točnost i kvalitetu površine.

Ključna ograničenje ove studije je njen fokus na Ti-6Al-4V. Iako dominira, druge titanijevim legurama (npr. Ti-5553, legure bliske beta strukturi) pokazuju različita svojstva obradivosti; ovdje izneseni nalazi zahtijevaju potvrdu za te materijale. Nadalje, ekonomski i ekološki učinci široke primjene kriogenog LN2 zahtijevaju pažljivu analizu životnog ciklusa, usklađujući uštede u alatima i povećanje produktivnosti s troškovima proizvodnje i isporuke LN2/ugljičnim otiskom.

Za praksu proizvodnje u zrakoplovstvu, ovi rezultati jasno potvrđuju:

1. Primjena impulsne kriogene obrade: Za kritične, dugotrajne operacije glodanja titana, posebno za grubo i polufinalno glodanje, kako bi se maksimalno povećao vijek trajanja alata i pouzdanost procesa.

2. Uvođenje adaptivnih staza alata: Posebno trohoidalne strategije za završno obradu tankih zidova zrakoplovnih struktura kako bi se poboljšala integritet površine, dimenzionalna točnost i kapacitet proizvodnje.

3. Integracija nadzora stanja alata: Korištenje signala snage vretena nudi praktičnu, u stroj ugrađenu metodu za predviđanje trošenja alata i proaktivno planiranje zamjena, s time da se smanjuje rizik od otpada.

5 Zaključak
Ova studija pokazuje učinkovite strategije za poboljšanje CNC obrade Ti-6Al-4V za zahtjevne primjene u strukturalnoj zrakoplovnoj industriji. Hlađenje pulsirajućim tekućim dušikom u kriogenim uvjetima znatno smanjuje brzo trošenje alata, primarni ograničavajući faktor, omogućavajući više trajno brzine rezanja i produljenje vijeka trajanja alata. Adaptivne alatne staze kod milerovog oblikovanja poboljšavaju kvalitetu površine, dimenzionalnu točnost (posebno kod tankih stijenki) i ukupnu produktivnost u usporedbi s konvencionalnim paralelnim stazama. Korelacija između praćenja snage glavnog vretena i trošenja alata nudi izvodivu metodu kontroliranja procesa. Ovi nalazi pružaju izravno primjenjiva rješenja proizvođačima u zrakoplovnoj industriji koji žele poboljšati učinkovitost, pouzdanost i kvalitetu proizvodnje titanijevih komponenti. Buduća istraživanja trebaju ispitati optimizaciju parametara dovoda kriogenog hlađenja (dizajn mlaznica, vremensko podešavanje pulsa), proširiti metodologiju na druge visokoperformantne titanove legure i provesti sveobuhvatne tehno-ekonomske i analize utjecaja na okoliš kod primjene kriogene obrade.