Titanium CNC megmunkálás repülőgépipari szerkezetekhez

A titánötvözetek jelentős kihívásokat jelentenek a CNC-megmunkálás számára repülőgépipari szerkezeti alkalmazásokban a kismértékű hővezető-képesség és a magas kémiai reaktivitás, mint jellemzőik miatt. Ez a tanulmány részletesen ismerteti a Ti-6Al-4V megmunkálásának optimalizálására szolgáló strukturált módszertant, különös tekintettel a szerszámkopás csökkentésére és a szigorú geometriai tűrések elérésére. A megmunkálási próbák során többtengelyes CNC-központokat alkalmaztak fejlett szerszámbetét-figyelő (TCM) rendszerekkel. A vágási paramétereket (sebesség, előtolás, vágásmélység) és a szerszámpálya-stratégiákat módszeresen változtatták. A tapasztalatok azt mutatták, hogy a pulzált kriogén hűtés alkalmazása 42%-kal csökkentette az átlagos oldalélkopást a hagyományos átömlő hűtéshez képest, miközben az adaptív trochoid marási stratégiák 18%-kal csökkentették a megmunkálási időt, és 15%-kal javították a felületi érdességet (Ra) vékonyfalú alkatrészek esetén. A feldolgozott adatok megerősítették a specifikus vágóenergia és a fokozatos szerszámkopás közötti szoros összefüggést. Ezek az eredmények hasznosításra alkalmas stratégiákat kínálnak a megmunkálási hatékonyság és az alkatrészek minőségének javítására repülőgépipari szerkezetek esetén. A korlátozások közé tartozik a Ti-6Al-4V ötvözet központi vizsgálata; más titánminőségekre vonatkozó alkalmazhatóság további ellenőrzést igényel.

1
A modern repülőgépiparban a teljesítmény és a fűtőanyag-hatékonyság folyamatos növelésének igénye szükségszerűen a titánötvözetek – elsősorban a Ti-6Al-4V – kiterjedt alkalmazásához vezetett. Kiemelkedő szilárdság-súly arányuk és korrózióállóságuk ideálissá teszi őket kritikus szerkezeti alkatrészekhez, mint például futóművek, motorok rögzítő szerkezetei és repülőgéptest-szakaszok [1]. Ugyanakkor ezek az anyagjellemzők – különösen az alacsony hővezető-képesség, a magas hőmérsékleten megőrzött nagy szilárdság és az erős kémiai affinitás az élkések anyagával szemben – rendkívül nehézzé teszik a titán hatékony és pontos megmunkálását [2]. A nehézségek az élkés esztergák gyors kopásában, a felületi minőség romlásában, a munkadarab potenciális torzulásában (különösen vékony szakaszoknál) és a megnövekedett gyártási költségekben nyilvánulnak meg [3]. Ennek következtében a titán repülőgépipari szerkezetek CNC megmunkálási folyamatainak optimalizálása továbbra is kritikus ipari célkitűzés marad. Jelen munka egy gyakorlati módszertan és kísérleti eredményeket mutat be ezen kihívások leküzdésére paraméteroptimalizálás és innovatív hűtési stratégiák alkalmazásával, törekedve megbízható és költséghatékony gyártási protokollok kialakítására.

2 Módszerek
2.1 Kísérleti kialakítás és munkadarab anyaga
A vizsgált alapanyag az AMS 4911L szabványnak megfelelő, edzett Ti-6Al-4V (5. osztály) lemez volt. A tanulmányozott fő megmunkálási műveletek az élkeményítés (durva és finomforgácsolás) és a zsebmegmunkálás voltak, amelyek jellemzőek a repülőgépipari szerkezeti elemekre. A munkadarabokat egyedi vákuumcsavarokkal és stratégiai mechanikus rögzítéssel rögzítették, hogy minimalizálják a rezgéseket és a deformációt, különösen a vékonyfalú geometriák esetében.

2.2 Megmunkáló berendezések és szerszámok
A kísérleteket 5-tengelyes DMG MORI DMU 80 eVo lineáris CNC megmunkáló központban (40 kW orsó, 18 000 rpm max.) végezték. A vágószerszámok a következők voltak:

• Törékeny: Monolit keményfém végfúrók (Ø10 mm, 4 él, ZrN bevonattal, változó spirál/osztás geometriával).

• Véglegesítés: Monolit keményfém végfúrók (Ø8 mm és Ø6 mm, 4 él, AlTiN bevonattal).
  Az esztergakés állapota (oldalfelületi kopás VBmax) folyamatosan ellenőrizve lett a főorsó teljesítményfelvétel elemzésével (Siemens Sinumerik 840D sl integrált monitorozás), illetve időszakos offline méréssel egy Keyence VHX-7000 digitális mikroszkóp segítségével. A felületi érdesség (Ra, Rz) mérését Mitutoyo Surftest SJ-410 profilmérő készülékkel végeztük. A méretpontosságot Zeiss CONTURA G2 koordináta mérőgéppel (CMM) ellenőriztük.

2.3 Folyamatparaméterek és adatgyűjtés
A rendszeresen tesztelt főbb független változók a következők voltak:

• Vágósebesség (Vc): 40 m/perc - 80 m/perc

• Fogásközti előtolás (fz): 0,04 mm/fog - 0,12 mm/fog

• Tengelyirányú forgácsolási mélység (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finomforgácsolás), 5 mm - 15 mm (durva forgácsolás)

• Sugárirányú forgácsolási mélység (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptív stratégiák)

• Hűtési stratégia: Hagyományos átömlő emulzió (6%), Szakaszos kriogén cseppfolyós nitrogén (LN2)

• Esztergálási stratégia: Hagyományos párhuzamos pályák, Adaptív trohoid esztergálás.
  A mért függő változók a következők voltak: oldalfelületi kopás (VBmax), felületi érdesség (Ra, Rz), fajlagos vágóenergia (SCE), megmunkálási idő funkcióként, valamint méreteltérés a kritikus funkciókon (falvastagság, lyuk pozíció). Az adatfelvétel a CNC vezérlőrendszerből történt közvetlenül (teljesítmény, nyomaték, idő), illetve offline mérés útján. Minden körülményre legalább három ismétlés történt.

3 Eredmények és elemzés
3.1 Szerszámkopás teljesítmény
Az élkoptatás kialakulása jelentősen a hűtési stratégia és a forgácsolási sebesség függvénye volt. Az 1. ábra a domináns tendenciát szemlélteti: a pulzált kriogén LN2 hűtés alkalmazása jelentősen csökkentette az élkoptatást az összes tesztelt forgácsolási sebességnél összehasonlítva a hagyományos áradó emulzió hűtéssel. A középpontban lévő sebességnél (60 m/min) a szabványosított mennyiségű anyag megmunkálása után a VBmax átlagos értéke 42%-kal csökkent kriogén hűtés alkalmazása mellett. Magas forgácsolási sebességek (80 m/min) esetén áradó hűtés mellett a szerszám katasztrofális meghibásodásához (kikopás) vezetett rövid időn belül, míg kriogén hűtés mellett a megmunkálás folyamatosan fennállt, bár a kopás gyorsabb volt az alacsonyabb sebességekhez képest. A főorsó teljesítményjeleinek elemzése szorosan korrelált a VBmax offline mérésekkel, megerősítve a TCM rendszer hatékonyságát a kopás előrejelzésében (R² = 0,91).

3.2 Felületminőség és geometriai pontosság
A felületi érdesség (Ra) elsősorban a előtolási sebességtől és a szerszámpálya stratégiától függött a simító megmunkálások során. Az egy fogra jutó előtolás (fz) csökkentése 0,08 mm/fogtól 0,05 mm/fogig körülbelül 25%-os javulást eredményezett az Ra értékben. Kritikus módon, az adaptív trohoidális marás alkalmazása vékony falak simítására (ap = 8 mm, falvastagság 1,5 mm) 15%-os Ra-javulást hozott (átlag 0,32 µm vs. 0,38 µm párhuzamos pályáknál), és csökkentette az alkatrésztorzulást 30%-kal, ezt mérő CMM eltérések a névleges falvastagságtól (2. ábra). Ez a stratégia emellett 18%-kal csökkentette a megmunkálási időt ezeknél a geometriáknál, mivel a szerszám állandó forgácsolási körülményeinek kontrollálásával magasabb átlagos forgácsolási sebességek érhetők el.

3.3 Termelékenység és energiafogyasztás
A fajlagos vágási energia (SCE), mint a folyamat hatékonyságának kulcsindikátora, a vártaknak megfelelően csökkent a megmunkált anyagmennyiség (MRR) növekedésével. Ugyanakkor a krio-hűtés alkalmazása 10–15%-kal magasabb SCE értéket eredményezett a teljes hűtéshez képest azonos MRR esetén, amit a cseppfolyós nitrogén (LN2) szállításának energiaigényével magyarázható. Ennek ellenére a szerszám élettartamának jelentős meghosszabbodása és a nem vágó idő (szerszámcsere, beállítások) csökkenése összességében a termelékenység körülbelül 20%-os növekedéséhez vezetett darabonként összetett szerkezeti alkatrészek esetében, ezzel ellensúlyozva az SCE hátrányt.

4 Megbeszélés
A szerszám kopásának megfigyelt jelentős csökkenése a pulzált kriogén LN2 hűtés alkalmazásával összhangban van a meglévő mechanizmusokkal: az LN2 hatékonyan csökkenti a titán megmunkálásánál jellemző magas vágózóna-hőmérsékleteket, ezzel csökkentve a keményfém szerszámoknál jellemző diffúziós és adhéziós kopási mechanizmusokat [4, 5]. A pulzált adagolás valószínűleg növeli a behatolást a szerszám- és a forgácsfelület között, miközben csökkenti az LN2 felesleges fogyasztását. Az adaptív trochoid marás sikere, különösen vékony falak esetén, abból fakad, hogy a sugárirányú megfogás közel állandó mértékben történik, miközben csökkentett vágóerőkkel dolgozik, ezzel minimalizálva a szerszám deformációját és a munkadarab rezgését [6]. Ez közvetlenül a geometriai pontosság és a felületminőség javulásához vezet.

E tanulmány egyik fő korlátja a Ti-6Al-4V ötvözet vizsgálatára való koncentrálása. Bár domináns, más titánötvözetek (például Ti-5553, közel-béta ötvözetek) eltérő megmunkálhatósági jellemzőkkel rendelkeznek; a jelen eredmények ezekre az anyagokra is érvényesek legyenek. Továbbá a kriogén LN2 tömeges alkalmazásának gazdasági és környezeti következményeit alapos életciklus-elemzéssel kell értékelni, amely összeméri a szerszámkihasználásból és termelékenységnövekedésből származó megtakarításokat az LN2 előállítási és szállítási költségeivel, valamint a szénlábkövet.

Az eredmények az űrgyártási gyakorlat szempontjából határozottan támogatják a következők bevezetését:

1. Szakaszos kriogén megmunkálás alkalmazása: Kritikus, hosszú időtartamú titánmaró műveletekhez, különösen durvamarásra és féligépítő marásra, a szerszámélettartam és a folyamat megbízhatóságának maximalizálása érdekében.

2. Adaptív pályák alkalmazása: Különösen trohoid stratégia alkalmazása vékonyfalú repülőgépipari szerkezetek finommarásához, a felületi integritás, méretpontosság és termelékenység javítása érdekében.

3. Szerszámállapot-figyelő rendszerek integrálása: A tengelyteljesítmény jelzéseinek kihasználása egy gyakorlati, gépbe integrált módszert kínál az esztergakés kopásának előrejelzésére és a cserék proaktív ütemezésére, csökkentve a selejt kockázatát.

5 Következtetés
Ez a tanulmány bemutatja a Ti-6Al-4V CNC-megmunkálásának hatékony stratégiait a nehéz repülőgépipari szerkezeti alkalmazásokhoz. A szakaszos krioszkópos folyékony nitrogén hűtés jelentősen csökkenti a gyors szerszámkopást, ami a fő korlát, lehetővé téve nagyobb fenntartható vágósebességet és meghosszabbítva a szerszám élettartamát. Az adaptív trochoid marási pályák javítják a felületi minőséget, a méretpontosságot (különösen vékony falak esetén), valamint az össztermelékenységet a hagyományos párhuzamos pályákhoz képest. A főorsó teljesítményének monitorozása és a szerszámkopás közötti összefüggés egy alkalmazható folyamatszabályozási módszert kínál. Ezek az eredmények közvetlenül alkalmazható megoldásokat biztosítanak a repülőgépipari gyártók számára, akik a titán alkatrészek gyártásának hatékonyságán, megbízhatóságán és minőségén akarnak javítani. A jövőbeli kutatásoknak ki kell térniük a krioszkópos hűtési paraméterek optimalizálására (fúvóka kialakítás, szakaszolás időzítése), a módszer kiterjesztésére más magas teljesítményű titánötvözetekre, valamint a krioszkópos megmunkálás technikai-gazdasági és környezeti hatásainak részletes elemzésére.