Տիտանե մաշինային մշակում աերոտիեզերական կառուցվածքների համար

Տիտանի համաձուլվածքները աերոտիեզերական կառուցվածքային կիրառումներում CNC մշակման համար ներկայացնում են մեծ մաշկային դժվարաթյուններ ցածր ջերմահաղորդականության և բարձր քիմիական ռեակցիոն ունակության նման հատկությունների պատճառով: Այս աշխատանքը ներկայացնում է կառուցվածքային մեթոդաբանություն Ti-6Al-4V մշակման CNC մշակման օպտիմալացման վերաբերյալ, կենտրոնանալով գործիքի մաշի նվազեցման և խիստ երկրաչափական հարցերի վրա: Մշակման փորձերը օգտագործել են բազմաաստիճան CNC կենտրոններ համալրված առաջադեմ գործիքի վիճակի հսկման (TCM) համակարգերով: Կտրման պարամետրերը (արագություն, մատուցում, կտրման խորություն) և գործիքի ճանապարհի ռազմավարությունները համակարգված են փոփոխվել: Արդյունքները ցույց են տվել, որ պուլսացիոն կրիոգենիկ հովհացման իրականացումը նվազեցրել է կողային մաշի միջին ցուցանիշը 42%-ով սովորական լցված հովհացման համեմատ, իսկ ադապտիվ տրոխոիդային մշակման ռազմավարությունները կրճատել են մշակման ժամանակը 18%-ով և բարելավել են մակերեսի խորդուբարդությունը (Ra) 15%-ով բարակ պատերի համար: Տվյալների վերլուծությունը հաստատում է կտրման հստակ էներգիայի և աստիճանական գործիքի մաշի միջև կապի առկայությունը: Այս գտնվածքները տալիս են գործողական ռազմավարություններ մշակման արդյունավետության և մասերի որակի բարելավման համար կրիտիկական աերոտիեզերական կառուցվածքներում: Սահմանափակումներից են Տի-6Ալ-4Վ-ի վրա կենտրոնանալը, այլ տիտանի աստիճանների կիրառելիությունը պահանջում է հետագա ստուգում:

1
Ժամանակակից ավիացիոն նախագծման մեջ կատարումն ու վառելիքի արդյունավետության անհանգստացնող ձգտումը պահանջում է տիտանի համաձուլվածքների, հիմնականում Ti-6Al-4V-ի լայնածավալ կիրառումը: Նրանց արտասովոր ուժի հարաբերակցությունը քաշին և կոռոզիայի դիմադրությունը դրանք դարձնում են իդեալական կրիտիկական կառուցվածքային բաղադրիչների համար, ինչպիսիք են վայրէջքի սարքվածքները, շարժիչի ամրակալումները և օդանավի շրջանները [1]: Այնուամենայնիվ, այս նույն հատկությունները՝ հատկապես ցածր ջերմահաղորդականությունը, բարձր ջերմաստիճաններում ուժը և գործիքային նյութերի նկատմամբ ուժեղ քիմիական հակումը, դրանց դարձնում են հայտնի դժվարացնում մշակել արդյունավետ և ճշգրիտ [2]: Բացասական արդյունքները դրսևորվում են որպես արագ գործիքի մաշվածություն, վատ մակերեսի ամբողջականություն, հնարավոր աշխատանքային մասի դեֆորմացիա (հատկապես բարակ հատվածներում) և բարձրացված արտադրության ծախսեր [3]: Հետևաբար, տիտանե ավիացիոն կառուցվածքների համար CNC մշակման գործընթացների օպտիմալացումը մնում է կրիտիկական արդյունաբերական նպատակ: Այս աշխատանքը ներկայացնում է գործնական մեթոդաբանություն և փորձարարական արդյունքներ, որոնք կենտրոնացած են այս մաքներին առաջարկել պարամետրերի օպտիմալացման և նորարական սառեցման մեթոդների միջոցով, նպատակ ունենալով ստեղծել հուսալի, արդյունավետ արտադրության ստանդարտներ:

2 Մեթոդներ
2.1 ՓՈՐՁԱՐԿՈՒՄՆԵՐԻ ՆԱԽԱԳԾՈՒՄԸ ԵՎ ԲԱԺԱՆՄԱՆ ՆՅՈՒԹԸ
Ուսումնասիրվող հիմնական նյութը հանքային Ti-6Al-4V (5-րդ կարգ) սալ էր, համապատասխանող AMS 4911L տեխничեսկի պահանջներին: Հիմնական մշակման գործողությունները հետազոտված էին շրջանային մշակումը (խորացում և վերջնական մշակում) և խոռոչի մշակումը, որոնք ներկայացնում էին տիպիկ ավիատիեզերական կոնստրուկտիվ տարրերը: Բաժանման մասերը ամրացված էին օգտագործելով հատուկ վակուումային պարաններ և մեխանիկական ամրացման հնարավորություններ, որպեսզի նվազեցվի թրթռումը և ճկվածքը, հատկապես կարևոր է բարակ պատերի երկրաչափության համար:

2.2 ՄՇԱԿՄԱՆ ՍԱՐՔԵՐ ԵՎ ԳՈՐԾԻՔՆԵՐ
Փորձերը կատարվել էին 5 առանցքային DMG MORI DMU 80 eVo գծային CNC մշակման կենտրոնում (40 kW սրունք, առավելագույնը 18,000 оборот в минуту): Կտրող գործիքները ներառում էին.

• Խորացում. Ամբողջական կարբիդե ավարտի միլերներ (Ø10մմ, 4-եզր, ZrN-պատվաֆանցված) փոփոխական հելիքի/քայլի երկրաչափությամբ:

• Ավարտական աշխատանք: Ամբողջական կարբիդե ավարտի միլերներ (Ø8մմ և Ø6մմ, 4-եզր, AlTiN-պատվաֆանցված):
  Վիճակը (կողային մաշվածություն VBmax) հսկվում էր գործընթացի ընթացքում՝ օգտագործելով սղոցի հզորության սպառման վերլուծություն (Siemens Sinumerik 840D sl ինտեգրված հսկողություն) և պարբերական օֆլայն չափումներ՝ Keyence VHX-7000 թվային մանրադիտակով: Մակերեսի խորդությունը (Ra, Rz) չափվում էր Mitutoyo Surftest SJ-410 պրոֆիլային սարքով: Չափահատուկ ճշգրտությունը հաստատվեց Zeiss CONTURA G2 կոորդինատային չափման մեքենայով (CMM):

2.3 Գործընթացի փոփոխականներ և տվյալների ձեռքբերում
Հիմնարար անկախ փոփոխականներ, որոնք համակարգային կերպով թեստավորվեցին՝

• Խորանալու արագություն (Vc). 40 մ/րոպե - 80 մ/րոպե

• Ատամի կերպարանք (fz). 0,04 մմ/ատամ - 0,12 մմ/ատամ

• Ուղղահայաց խորություն (ap). 0,5 մմ - 3,0 մմ (ավարտում), 5 մմ - 15 մմ (կոպտացում)

• Ռադիալ խորություն (ae). 0,5 մմ - 6,0 մմ (հարմարեցված մոտեցումներ)

• Լցման ռազմավարություն. սովորական հեղձուցիչ էմուլսիա (6%), Պուլսացվող կրիոգեն հեղուկ ազոտ (LN2)

• Գործիքի ճանապարհի ռազմավարություն. սովորական զուգահեռ ճանապարհներ, հարմարեցված տրոխոիդային մշակում:
  Չափված կախյալ փոփոխականներ էին կողային մաշը (VBmax), մակերեսի խորդուբարդությունը (Ra, Rz), տեսակարար կտրման էներգիան (SCE), մեկ բնութագրի մշակման ժամանակը և կրիտիկական բնութագրերի չափական շեղումը (պատի հաստություն, ճիրանի դիրք)։ Տվյալների մուտքագրումը տեղի է ունեցել անմիջապես CNC ղեկավարման համակարգից (հզորություն, մոմենտ, ժամանակ) և մետրոլոգիայի օֆլայն մեթոդներով։ Յուրաքանչյուր պայմանի համար կատարվել է առնվազն երեք կրկնօրինակում։

3 Արդյունքներ և վերլուծություն
3.1 Գործիքի մաշի ցուցանիշներ
Կողմնային մաշվածքի առաջընթացը մեծապես ազդել է հովհրելու ռազմավարությունը և կտրման արագությունը: Նկար 1-ը ցույց է տալիս առաջատար միտումը՝ կիրառելով պուլսացիոն կրիոգեն հեղուկ ազոտի հովհրում, որը կտրուկ նվազեցրել է գործիքի մաշվածքը բոլոր փորձարկված կտրման արագությունների դեպքում համեմատած սովորական հեղուկի հետ: Միջին տիրույթի արագությամբ (60 մ/րոպե), մշակված նյութի ստանդարտացված ծավալից հետո միջին VBmax-ը նվազել է 42% -ով կրիոգեն հովհրման միջոցով: Բարձր կտրման արագությունները (80 մ/րոպե) հեղուկի հովհրման տակ հանգեցրին կատաստրոֆիկ գործիքի անջատմանը (թեփուկային) կարճ ժամանակահատվածում, իսկ կրիոգեն հովհրումը թույլ տվեց շարունակական մշակում, չնայած արագացված մաշվածքով ցածր արագությունների հետ համեմատած: Սղոցի էլեկտրաէներգիայի ազդանշանների վերլուծությունը համընկնում էր VBmax չափումների հետ, հաստատելով TCM համակարգի արդյունավետությունը մաշվածքի կանխատեսման համար (R² = 0.91):

3.2 Մակերեսի որակը և երկրաչափական ճշտությունը
Շոշափողական կոպտությունը (Ra) հիմնականում ազդեցություն է թողել նույնական մեծությունների և գործիքի ճանապարհի վրա ավարտման գործողությունների ընթացքում: Ատամնային մեկ նույնական մեծությունը (fz) 0.08 մմ/ատամից մինչև 0.05 մմ/ատամ նվազեցնելը բարելավել է Ra-ի միջին ցուցանիշը մոտ 25%: Կարևոր է, որ բարակ պատերի ավարտման համար ադապտիվ տրոխոիդային մշակումը կիրառելը (ap = 8 մմ, պատի հաստությունը 1.5 մմ) բերել է Ra-ում 15% բարելապման (միջինը 0.32 µմ համեմատաբար 0.38 µմ-ի հետ զուգահեռ ճանապարհներով) և նվազեցրել է մասերի դեֆորմացիան 30%-ով, ինչպես չափվել է CMM-ով անվանական պատի հաստությունից շեղումների միջոցով (Նկար 2): Այս մոտեցումը նաև 18%-ով կրճատել է մշակման ժամանակը այդ հնարավորությունների համար՝ պահպանելով բարձր միջին մետաղի հեռացման ցուցանիշները մշտական գործիքի ներգրավման վերահսկողությամբ։

3.3 Արտադրողականություն և էներգիայի սպառում
Մասնակի կտրման էներգիան (SCE), որը գործընթացի արդյունավետության հիմնարար ցուցանիշ է, նվազեց նյութի հեռացման մեծացման հետ մեկտեղ, ինչպես էլ սպասվում էր: Այնուամենայնիվ, կրիոգեն սառեցման կիրառումը տվեց 10-15% ավելի բարձր SCE համեմատած սովորական սառեցման հետ նույն MRR-ի դեպքում, ինչը բացատրվում է LN2 մատուցման էներգետիկ ծախսերով: Այդ բանի դեպքում էլ, կտրող գործիքի կյանքի զգալի երկարացումը և ոչ կտրման ժամանակի (գործիքների փոխարկում, կարգավորումներ) կրճատումը բերեց մոտ 20% ավելի բարձր արտադրողականության բարդ կառուցվածքային մասերի համար, որը հատուկ կշռադրեց SCE-ի վրա ազդեցությունը:

4 Քննարկում
Պուլսացող կրիոգեն հեղուկ ազոտի օգտագործման դեպքում գործիքների մաշվածության նկատված կտրուկ նվազումը համապատասխանում է հաստատված մեխանիզմներին՝ LN2-ը արդյունավետորեն ճնշում է տիտանի մշակման ժամանակ ստորաբանության գոտիներում բնորոշ բարձր ջերմաստիճանները, այդպիսով նվազեցնելով դիֆուզիոն և սոսնձման մաշման մեխանիզմները, որոնք բնորոշ են կարբիդե գործիքների համար [4, 5]։ Պուլսացող մատուկը, սպասվում է, ավելացնում է ներթափանցումը գործիք-վիրական ինտերֆեյսի մեջ՝ նվազագույնի հասցնելով անարդյունավետ սպառումը։ Ադապտիվ տրոխոիդային մշակման հաջողությունը, հատկապես բարակ պատերի համար, առաջանում է ավելի հաստատուն ճառագայթային ներգրավման և կտրման ուժերի նվազեցման շնորհիվ, նվազեցնելով գործիքի ճկումը և աշխատանքային մարմնի թրթիռը [6]։ Սա անմիջապես թարգմանվում է երկրաչափական ճշտության և մակերեսի վիճակի բարելավման։

Ուսումնասիրության հիմնական սահմանափակումը նրա կենտրոնանալն է Ti-6Al-4V-ի վրա: Չնայած նրա տիրապետմանը, այլ տիտանե համաձուլվածքներ (օրինակ՝ Ti-5553, մոտակա-բետա համաձուլվածքներ) ցուցադրում են տարբեր մշակման բնութագրեր. այստեղ ստացված արդյունքները պահանջում են նմանատիպ նյութերի համար հաստատում: Ավելին, ցրտային LN2-ի լայն կիրառման տնտեսական և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցությունը պահանջում է հիմնադիր ցիկլի գնահատում, հավասարակշռելով արդյունահանման խնայողություններն ու արտադրողականության աճը LN2-ի արտադրման և առաքման ծախսերի և ածխածին հետքի դեմ:

Ավիացիոն արտադրողական գործնականում այս արդյունքները հզորապես աջակցում են՝

1. Ցրտային մշակման իմպուլսների կիրառմանը. Կրիտիկական, երկարատև տիտանե մշակման գործընթացների համար, հատկապես կոպտացման և կիսավերջացման, հնարավորինս մեծացնելով գործիքների կյանքն ու գործընթացի հուսալիությունը:

2. Գործիքային ճանապարհների հարմարեցման ընդունմանը. Հատկապես տրոխոիդային ռազմավարություններ թույլ պատերով ավիացիոն կառուցվածքների վերջացման համար, որպեսզի բարելավվի մակերեսի ամբողջականությունը, չափական ճշգրտությունը և արտադրողականությունը:

3. Գործիքի վիճակի հսկողության ինտեգրմանը. Շահագործելով շպինդլի հզորության իմպուլսները տրամադրվում է գործնական, մեքենային ինտեգրված մեթոդ գործիքների մաշվածությունը կանխատեսելու և փոփոխությունները նախօրոք ծրագրելու համար, որը նվազեցնում է թափոնների ռիսկը։

5 Եզրակացություն
Այս ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս Ti-6Al-4V համաձուլվածքի CNC մշակման արդյունավետ մեթոդները՝ պահանջկոտ ավիատիեզերական կոնստրուկտիվ կիրառումների համար: Պուլսացված կրիոգեն հեղուկ ազոտի հովացման շնորհիվ էապես նվազում է արագ գործիքի մաշվածությունը, որը հիմնական սահմանափակում է, թույլատրելով ավելի բարձր կայուն կտրման արագություններ և երկարացված գործիքի կյանք: Ադապտիվ տրոխոիդային մշակման գործիքի ճանապարհները բարելավում են մակերեսի վիճակը, չափական ճշգրտությունը (հատկապես բարակ պատերի համար) և ընդհանուր արտադրողականությունը սովորական զուգահեռ ճանապարհների համեմատ: Շարժիչի հզորության հսկումը և գործիքի մաշվածությունը առաջարկում են հնարավոր գործընթացի վերահսկման մեթոդ: Այս գտնվածքները տալիս են անմիջականորեն կիրառելի լուծումներ ավիատիեզերական արտադրողների համար, ովքեր փնտրում են ավելի արդյունավետություն, հուսալիություն և տիտանե բաղադրիչների արտադրության որակ: Ապագա աշխատանքները պետք է հետազոտեն կրիոգեն մատուցման պարամետրերի (սեղմակի նախագծում, իմպուլսի ժամանակացուցական հարմարեցում) օպտիմալացումը, տարածեն մեթոդաբանությունը այլ բարձր կատարում ունեցող տիտանե համաձուլվածքների վրա և իրականացնեն լրիվ տեխնիկատնտեսական և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության վերլուծությունը կրիոգեն մշակման իրականացման վերաբերյալ: