Tornitura CNC in Titanio per Strutture Aerospaziali

Le leghe di titanio presentano significative sfide per la lavorazione CNC in applicazioni strutturali aerospaziali a causa di proprietà intrinseche come la bassa conducibilità termica e l'elevata reattività chimica. Questo lavoro descrive una metodologia strutturata per ottimizzare la lavorazione CNC del Ti-6Al-4V, concentrandosi sulla riduzione dell'usura degli utensili e sul raggiungimento di tolleranze geometriche rigorose. Le prove di lavorazione hanno utilizzato centri CNC multiasse dotati di avanzati sistemi di monitoraggio dello stato degli utensili (TCM). I parametri di taglio (velocità, avanzamento, profondità di passata) e le strategie di percorso utensile sono stati variati sistematicamente. I risultati dimostrano che l'implementazione di raffreddamento criogenico pulsato ha ridotto l'usura media del fianco del 42% rispetto al refrigerante convenzionale, mentre strategie di fresatura trocoidale adattive hanno diminuito il tempo di lavorazione del 18% e migliorato la rugosità superficiale (Ra) del 15% per componenti con pareti sottili. L'analisi dei dati conferma una forte correlazione tra energia specifica di taglio e usura progressiva dell'utensile. Questi risultati forniscono strategie applicabili per migliorare l'efficienza di lavorazione e la qualità dei componenti per strutture aerospaziali critiche. I limiti includono il focus sul Ti-6Al-4V; l'applicabilità ad altre qualità di titanio richiede ulteriori verifiche.

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La ricerca incessante di prestazioni e efficienza nei consumi nei moderni progetti aeronautici richiede l'ampio utilizzo di leghe di titanio, principalmente Ti-6Al-4V. Il loro eccezionale rapporto tra resistenza e peso e la resistenza alla corrosione li rendono ideali per componenti strutturali critici come carrelli di atterraggio, supporti del motore e sezioni della struttura [1]. Tuttavia, queste stesse proprietà – in particolare la bassa conducibilità termica, l'elevata resistenza a temperature elevate e l'elevata affinità chimica verso i materiali degli utensili – rendono il titanio notoriamente difficile da lavorare in modo efficiente e preciso [2]. Le difficoltà si manifestano come usura rapida degli utensili, scarsa qualità superficiale, possibili deformazioni del pezzo (soprattutto nelle sezioni sottili) e costi di produzione elevati [3]. Di conseguenza, l'ottimizzazione dei processi di lavorazione CNC per strutture aeronautiche in titanio rimane un obiettivo industriale fondamentale. Questo studio presenta una metodologia pratica e risultati sperimentali focalizzati sul superamento di queste difficoltà attraverso l'ottimizzazione dei parametri e strategie innovative di raffreddamento, con l'obiettivo di stabilire protocolli produttivi affidabili ed economicamente vantaggiosi.

2 Metodi
2.1 Progettazione Sperimentale & Materiale del Pezzo
Il materiale principale analizzato è stato una lastra di Ti-6Al-4V (Grado 5) ricotto, conforme alle specifiche AMS 4911L. Le operazioni principali di lavorazione studiate sono state la fresatura periferica (sgrossatura e finitura) e la lavorazione di tasche, rappresentative delle tipiche caratteristiche strutturali aeronautiche. I pezzi sono stati fissati in modo sicuro utilizzando morsetti a vuoto personalizzati e un'opportuna serraggio meccanico al fine di ridurre al minimo vibrazioni e deformazioni, particolarmente critico per geometrie con pareti sottili.

2.2 Attrezzatura per la Lavorazione & Utensili
Gli esperimenti sono stati condotti su un centro di lavoro CNC a 5 assi DMG MORI DMU 80 eVo (40 kW mandrino, max 18.000 giri/min). Gli utensili utilizzati sono stati:

• Fresatura grezza: Frese integrali in carburo (Ø10 mm, 4 taglienti, rivestite in ZrN) con geometria ad elica/passo variabile.

• Finitura: Frese integrali in carburo (Ø8 mm & Ø6 mm, 4 taglienti, rivestite in AlTiN).
  Lo stato dell'utensile (usura del fianco VBmax) è stato monitorato in-process combinando l'analisi del consumo di potenza del mandrino (monitoraggio integrato Siemens Sinumerik 840D sl) e misurazioni offline periodiche effettuate tramite microscopio digitale Keyence VHX-7000. La rugosità superficiale (Ra, Rz) è stata misurata utilizzando un profilometro Mitutoyo Surftest SJ-410. L'accuratezza dimensionale è stata verificata con una macchina a coordinate Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variabili del processo e acquisizione dati
Le principali variabili indipendenti testate in modo sistematico hanno incluso:

• Velocità di taglio (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Avanzamento per dente (fz): 0,04 mm/dente - 0,12 mm/dente

• Profondità assiale di taglio (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finitura), 5 mm - 15 mm (sgrossatura)

• Profondità radiale di taglio (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (strategie adattive)

• Strategia di raffreddamento: Emulsione tradizionale a pieno campo (6%), Azoto liquido criogenico pulsato (LN2)

• Strategia del percorso utensile: Percorsi paralleli tradizionali, Fresatura trocoidale adattiva.
  Le variabili dipendenti misurate sono state l'usura del fianco (VBmax), la rugosità superficiale (Ra, Rz), l'energia specifica di taglio (SCE), il tempo di lavorazione per singola caratteristica e la deviazione dimensionale sulle caratteristiche critiche (spessore della parete, posizione del foro). La registrazione dei dati è avvenuta direttamente dal sistema di controllo CNC (potenza, coppia, tempo) e tramite metrologia offline. Sono stati effettuati almeno tre replicati per ogni condizione.

3 Risultati e Analisi
3.1 Prestazioni di usura dell'utensile
L'usura del fianco è stata significativamente influenzata dalla strategia di raffreddamento e dalla velocità di taglio. La figura 1 illustra la tendenza dominante: l'utilizzo di raffreddamento criogenico a impulsi con LN2 ha ridotto drasticamente l'usura dell'utensile a tutte le velocità di taglio testate, rispetto al convenzionale raffreddamento a bagnatura con emulsione. Alla velocità intermedia (60 m/min), il valore medio di VBmax, dopo la lavorazione di un volume standardizzato di materiale, è stato ridotto del 42% utilizzando il raffreddamento criogenico. Velocità di taglio elevate (80 m/min) con raffreddamento a bagnatura hanno portato a un guasto catastrofico dell'utensile (scheggiatura) entro breve tempo, mentre il raffreddamento criogenico ha permesso di proseguire la lavorazione, sebbene con un'usura accelerata rispetto alle velocità inferiori. L'analisi dei segnali di potenza del mandrino ha mostrato una forte correlazione con le misurazioni offline di VBmax, confermando l'efficacia del sistema TCM per la previsione dell'usura (R² = 0,91).

3.2 Qualità superficiale e precisione geometrica
La rugosità superficiale (Ra) è stata principalmente influenzata dall'avanzamento e dalla strategia di percorso utensile nelle operazioni di finitura. Riducendo l'avanzamento per dente (fz) da 0.08 mm/dente a 0.05 mm/dente, si è ottenuto un miglioramento medio del Ra di circa il 25%. In modo significativo, l'implementazione della fresatura trocoidale adattiva per la finitura di pareti sottili (ap = 8 mm, spessore parete 1,5 mm) ha fornito un miglioramento del Ra del 15% (media 0,32 µm rispetto a 0,38 µm con percorsi paralleli) e ridotto la deformazione del pezzo del 30%, misurata attraverso la deviazione del CMM dallo spessore nominale della parete (Figura 2). Questa strategia ha inoltre ridotto il tempo di lavorazione per queste caratteristiche del 18%, mantenendo tassi di rimozione del materiale più elevati grazie al controllo costante dell'ingranamento dell'utensile.

3.3 Produttività e consumo energetico
L'energia di taglio specifica (SCE), un indicatore chiave dell'efficienza del processo, è diminuita all'aumentare del tasso di rimozione del materiale (MRR), come previsto. Tuttavia, l'utilizzo del raffreddamento criogenico ha determinato un valore SCE del 10-15% superiore rispetto al raffreddamento a immersione per valori equivalenti di MRR, attribuibile al costo energetico associato alla fornitura di LN2. Nonostante ciò, l'importante prolungamento della durata dell'utensile e la riduzione del tempo non produttivo (cambio utensili, regolazioni) hanno portato a un aumento netto della produttività di circa il 20% per pezzo, per componenti strutturali complessi, compensando il penalità sul SCE.

4 Discussione
La riduzione significativa osservata nell'usura degli utensili utilizzando il raffreddamento criogenico pulsato con LN2 si allinea con meccanismi consolidati: l'LN2 sopprime efficacemente le elevate temperature nella zona di taglio tipiche della lavorazione del titanio, riducendo così i meccanismi di usura per diffusione e adesione che sono comuni quando si utilizzano utensili in carburo [4, 5]. La distribuzione pulsata probabilmente migliora la penetrazione all'interfaccia utensile-avanzo, riducendo al contempo il consumo inefficiente. Il successo della fresatura trochoidale adattiva, in particolare per pareti sottili, deriva dal mantenimento di un impegno radiale quasi costante e da forze di taglio ridotte, minimizzando la flessione dell'utensile e le vibrazioni del pezzo lavorato [6]. Questo si traduce direttamente in una migliore accuratezza geometrica e finitura superficiale.

Una limitazione chiave di questo studio è il suo focus su Ti-6Al-4V. Sebbene predominante, altre leghe di titanio (ad esempio, Ti-5553, leghe near-beta) presentano caratteristiche di lavorabilità differenti; i risultati qui ottenuti richiedono una validazione per tali materiali. Inoltre, le implicazioni economiche e ambientali di un utilizzo diffuso della lavorazione criogenica con LN2 necessitano di una valutazione accurata del ciclo vitale, bilanciando i risparmi sui utensili e i guadagni di produttività con i costi/l'impronta di carbonio della produzione e distribuzione dell'LN2.

Per la pratica manifatturiera aerospaziale, questi risultati supportano fortemente:

1. L'implementazione della Lavorazione Criogenica Pulsata: Per operazioni critiche di fresatura del titanio di lunga durata, in particolare sgrossatura e semilavorazione, al fine di massimizzare la vita dell'utensile e l'affidabilità del processo.

2. L'adozione di Traiettorie Adattative per gli Utensili: In particolare strategie trocoidali per la finitura di strutture aerospaziali con pareti sottili, per migliorare l'integrità superficiale, l'accuratezza dimensionale e la produttività.

3. L'integrazione del Monitoraggio dello Stato degli Utensili: L'utilizzo dei segnali di potenza del mandrino offre un metodo pratico e integrato nella macchina per prevedere l'usura degli utensili e pianificare in anticipo i relativi cambiamenti, riducendo il rischio di scarti.

5 Conclusione
Questo studio dimostra strategie efficaci per migliorare la lavorazione CNC del Ti-6Al-4V per applicazioni strutturali aerospaziali impegnative. Il raffreddamento criogenico a getto di azoto liquido riduce significativamente l'usura rapida degli utensili, un limite principale, permettendo velocità di taglio più elevate e una maggiore durata degli utensili. I percorsi utensile a fresatura trocoidale adattiva migliorano la finitura superficiale, l'accuratezza dimensionale (soprattutto per pareti sottili) e la produttività complessiva rispetto ai percorsi paralleli convenzionali. La correlazione tra il monitoraggio della potenza del mandrino e l'usura dell'utensile offre un metodo praticabile di controllo in processo. Questi risultati forniscono soluzioni direttamente applicabili ai produttori aerospaziali che desiderano migliorare l'efficienza, l'affidabilità e la qualità nella produzione di componenti in titanio. Futuri studi dovrebbero indagare l'ottimizzazione dei parametri di erogazione criogenica (progetto dell'ugello, tempistica degli impulsi), estendere la metodologia ad altre leghe di titanio ad alte prestazioni, e condurre analisi tecnico-economiche e sull'impatto ambientale complete dell'implementazione della lavorazione criogenica.