עיבוד טיטניום ב-CNC למבנים אווירונאוטיים

Сплави титану представляють значні труднощі для обробки на CNC-верстатах в авіаційних конструкційних застосуваннях через власні властивості, такі як низька теплопровідність і висока хімічна реакційна здатність. Ця робота містить детальну методологію оптимізації обробки Ti-6Al-4V на CNC-верстатах, зосереджуючись на зменшенні зношування інструменту та досягненні жорстких геометричних допусків. Випробування обробки виконувалися на багатоосьових CNC-центрах, оснащених сучасними системами моніторингу стану інструменту (TCM). Параметри різання (швидкість, подача, глибина різання) та стратегії шляху інструменту систематично змінювалися. Результати демонструють, що використання імпульсного кріогенного охолодження зменшило середнє зношування по задній поверхні на 42% порівняно з традиційним охолодженням, тим часом як адаптивні стратегії циклоїдного фрезерування скоротили час обробки на 18% і покращили шорсткість поверхні (Ra) на 15% для тонкостінних компонентів. Аналіз даних підтверджує сильний зв’язок між питомою силою різання та поступовим зношуванням інструменту. Ці результати надають корисні стратегії для підвищення ефективності обробки та якості деталей у критичних авіаційних конструкціях. Обмеження включають фокус на Ti-6Al-4V; придатність до інших марок титану потребує подальшого підтвердження.

1
הריצה האין סופית אחר ביצועים ויעילות בצריכת דלק בעיצוב תעשיית התעופה והفضاء המודרנית מחייבת שימוש נרחב באלloys טיטניום, בעיקר Ti-6Al-4V. היחס בין חוזק למשקל הניכר שלהם, וכן התנגדותם לפחמן, הופכים אותם לאידיאליים למרכיבים מבניים קריטיים כגון שלדת נחיתה, תומכים למנועים וחצאי מבנה [1]. עם זאת, אותן תכונות – במיוחד מוליכות תרמלית נמוכה, חוזק גבוה בטמפרטורות מוגזמות, ונטייה כימית חזקה לחומרי כלי עבודה – הופכות את טיטניום לבעייתי במיוחד בעיבודו, הן מבחינת יעילות והן מבחינת דיוק [2]. אתגרים מתבטאים בבلى מהיר של הכלים, אינטגרציה לקווחת של פני השטח, סיכון לעיוות בחלקים (במיוחד בחלקים דקים), והוצאות ייצור מוגזמות [3]. כתוצאה מכך, אופטימיזציה של תהליכי עיבוד CNC למבנים אווירונאוטיים מטיטניום נותרת מטרת מפתח בתעשייה. עבודה זו מציגה מתודולוגיה מעשית ותוצאות ניסוייות שמטרתן преодול את האתגרים הללו באמצעות אופטימיזציה של פרמטרים ואסטרטגיות קירור חדשניות, במטרה להקים פרוטוקולים יציבים ובעלי עלות מיטבית לייצור.

2 שיטות
2.1 עיצוב ניסיוני וחומרת החלק
חומר הליבה שנחקר היה סגסוגת Ti-6Al-4V (דרגה 5) שעברה קריה לפי מפרט AMS 4911L. פעולות העיבוד העיקריות שנחקרו היו עיבוד צדדי (גימור גס וסיום) ועיבוד כיסים, המייצגים תכונות מבניות טיפוסיות בתעשייה האווירית. החלקים עוצבו בתיקים מיוחדים תוך שימוש במנחות ואקום ותפיסת מכבושים מכאנית אסטרטגית כדי להפחית ויברציה והעתקות, דבר שהיה קריטי במיוחד עבור גאומטריות של קירות דקים.

2.2 ציוד עיבוד ותיקים
הניסויים בוצעו על מרכז עיבוד CNC 5 צירים של DMG MORI DMU 80 eVo (40 קילוואט ציר ראשי, 18,000 סל"ד מירבי). תיקים שנעשה בהם שימוש:

• חומרי גירוש: מגמרים סולידיים מקרبيد (קוטר 10 מ"מ, 4 שיניים, מוכרים בזירקון ניטריד) עם גאומטריה משתנה של סליל/פינה.

• השלמה: מגמרים סולידיים מקרبيد (קוטר 8 מ"מ ו-6 מ"מ, 4 שיניים, מוכרים באלומיניום טיטניום ניטריד).
  מצב הכלים (בליי צדדי VBmax) נבדק בתהליך באמצעות שילוב של ניתוח צריכת ההספק של הספינדל (שימנס סינומריק 840D sl איתור מובנה) ומדידה מחזורית מחוץ לתהליך באמצעות מיקרוסקופ דיגיטלי קיינס VHX-7000. רועף פני השטח (Ra, Rz) נמדד באמצעות מדידת שטח Mitutoyo Surftest SJ-410. דיוק הממדים אושר באמצעות מכונת מדידה קואורדינטיבית Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 משתני תהליך ואיסוף נתונים
המשתנים הבלתי תלויים הנבדקים באופן שיטתי כללו:

• מהירות חיתוך (Vc): 40 מטר/דקה - 80 מטר/דקה

• אכיזה לשן (fz): 0.04 מ"מ/שן - 0.12 מ"מ/שן

• עומק חיתוך צירי (ap): 0.5 מ"מ - 3.0 מ"מ (גימור), 5 מ"מ - 15 מ"מ (חיתוך גס)

• עומק חיתוך רדיאלי (ae): 0.5 מ"מ - 6.0 מ"מ (אסטרטגיות מותאמות)

• אסטרטגיית קירור: אמולסיה טריפית מסורתית (6%), נוזל קריאוגני פולסי חנקן נוזלי (LN2)

• מסלול חיתוך: מסילות מקבילות מסורתיות, חיתוך טרוכואידלי מותאם
  המשתנים התלויים שנמדדו היו בלאט צד (VBmax), חספוס פנים (Ra, Rz), אנרגיית חיתוך ספציפית (SCE), זמן עיבוד לאו פיצ'ר, וסטיית ממדים באופציות קריטיות (עובי קיר, מיקום חור). רישום הנתונים נעשה ישירות מהמערכת numerit (כוח, מומנט, זמן) ובאמצעות מדידה אופליין. בוצעו לפחות שלושה חזרות עבור כל תנאי מדידה.

3 תוצאות וניתוח
3.1 תפקוד בלאט הכלי
התקדמות בלבוש הצדדי הושפעה באופן משמעותי מאסטרטגיית הקירור ומהירות הקטיעה. איור 1 מציג את המגמה הדומיננטית: יישום קירור LN2 קריאוגני מפולק קיצר את בלבוש הכלים משמעותית ביחס לקירור אמולסיה קונבנציונלי, בכל רמות המהירות הנבדקות. בממוצע, במהירות ביניימית (60 מטר/דקה), ה-VBmax הממוצע לאחר עיבוד נפח סטנדרטי של חומר ירד ב-42% באמצעות הקירור הקריאוגני. מהירות קטיעה גבוהה (80 מטר/דקה) תחת קירור שוטף הובילה להרס כלי קטיעה קטסטרופלי (נשבר) תוך זמן קצר, בעוד שקירור קריאוגני אפשר המשך עיבוד, אם כי עם בלבוש מואץ ביחס למהירויות נמוכות יותר. ניתוח אותות הספק הספינדל תאם בצורה חזקה עם מדידות VBmax מקוונות, ומאשר את יעילות המערכת למעקב אחר בלבוש (R² = 0.91).

3.2 איכות משטח ודיוק גאומטרי
עובי פנים (Ra) נ 영שה בעיקר על ידי קצבת אכילה ואסטרטגיית מסלול כלים בעבודות גימור. הקטנת האכילה ל שן (fz) מ-0.08 מ"מ/שנה ל-0.05 מ"מ/שנה שיפרה את הממוצע של Ra ב כ 25%. חשוב לציין, יישום של פליזה טרוכואידית אדפטיבית לגימור קירות דקים (ap = 8 מ"מ, עובי קיר 1.5 מ"מ) הניב שיפור של 15% ב Ra (ממוצע של 0.32 מיקרו מטר לעומת 0.38 מיקרו מטר עם מסלולים מקבילים) ופחת את עיוות החלק ב-30%, כפי שנמדד על ידי סטיית CMM מעובי הקיר הנומינלי (איור 2). אסטרטגיה זו גם הפחיתה את זמן העיבוד עבור תכונות אלו ב-18% על ידי שמירה על קצבת הסרה ממוצעת גבוהה יותר באמצעות שליטה בתערובת הכלים.

3.3 תפוקה וצריכת אנרגיה
האנרגיה הספציפית לגזירה (SCE), מדד מפתח ליעילות תהליך, ירדה עם העלייה ביחס הסרת החומר (MRR), כפי שציפו. עם זאת, השימוש בקירור קריאוגני גרם ל-SCE גבוה ב-10-15% בהשוואה לקירור שטחי בתנאי MRR שווים, וזאת עקב עלות האנרגיה של משלוח LN2. למרות זאת, הארכה משמעותית של חיי הכלים והפחתה בזמן שאינו גזירה (החלפת כלים, התאמות) הביאו לעלייה נטו של כ-20% בפעריות לייצור ליחידה אחת בעבור חלקים מבניים מורכבים, ובכך פיצו על הירידה ב-SCE.

4 דיון
ההפחתה חדה שנרשמה wearing של כלי עבודה עקב השימוש בקירור LN2 פולסי תואמת את המנגנונים המוכרים: LN2 מפחית באופן יעיל את הטמפרטורות הגבוהות באזור החיתוך, vốn אופייני לעיבוד טיטניום, ובכך מפחית את מנגנוני הבֶּלֶה של דיפוזיה והידבקות הנפוצים בכלי עבודה מקרبيد [4, 5]. ככל הנראה, המסירה הפולסית תורמת להגביר את החדירה למשטח המגע בין הכלי לשבבי החיתוך, תוך מינימום של בזבוזי LN2. ההצלחה של חיתוך טרוכואידלי אדפטיבי, במיוחד בעבור קירות דקים, נובעת משימור מעומק engagement רדיאלי כמעט קבוע וצמצום כוחות החיתוך, ובכך מפחיתים את סטיית הכלי ואת ויברציות החלק [6]. הדבר מוביל ישירות לשיפור דיוק גאומטרי וסיום שטח.

מגבלה חשובה של מחקר זה היא התמקדותו ב-Ti-6Al-4V. אם כי הוא דומיננטי, סגסוגות טיטניום אחרות (למשל, Ti-5553, סגסוגות בטא-קרובות) מציגות מאפייני עיבוד שונים; הממצאים כאן מצריכים אימות עבור חומרים אלו. יתרה מכך, ההשלכות הכלכליות והסביבתיות של אימוץן נרחב של טכניקות קריוגניות (LN2) מחייבים הערכה מחזורית מקצועית, המשקלת בין חיסכון בכלי עבודה והגברת תפוקה לבין עלויות ייצור ותפעול של LN2 ועקבות הפחמן שלו.

למען תהליכי ייצור תעופתיים, תוצאות אלו תומכות בפירוש ב-

1. יישום עיבוד קריוגני מפולס: לפעולות עיבוד טיטניום ממושכות וחשובות, במיוחד בעיבוד גס ובעיבוד ביניים, כדי למקסם את חיי הכלים ואת אמינות התהליך.

2. אימוץּן של מסילות כלים אדפטיביות: בפרט, אסטרטגיות טרופיקליות לעיבוד גימורי של מבנים תעופתיים בעלי דפנות דקות כדי לשפר את שלמות המשטח, הדיוק הממדי והתפוקה.

3. שילוב מעקב אחר מצב הכלים: שימוש בספindle מספק שיטה אינטגרלית למכונה לצורך ניבוי נזקי כלים ותזמון החלפות מראש, וכך מפחית את סכנת הפסולת.

5 סיכום
המחקר הזה מדגים אסטרטגיות הצלחה בפיתוח תהליכי עיבוד במכונת CNC של חומר הטייטנום Ti-6Al-4V ליישומים מבניים קשים בתעשייה האווירית. הקירור הפולסי באמצעות נוזל חנקן קריאוגני מפחית באופן ניכר את בלאי הכלים המהיר, הגורם המגביל העיקרי, ומאפשר מהירויות חיתוך גבוהות וחיי כלים ממושכים יותר. מסילות טרוכואידליות אדפטיביות משפרות את גימור הפנים, הדיוק המימדי (ובפרט בדפנות דקיקות), ואת הפקודטיביות הכוללת בהשוואה למסילות מקבילות מוסכמות. הקשר בין שיאור הספק הספינדל לבין בלאי הכלים מציע שיטה ישימה לשליטה בתהליך. ממצאי המחקר מספקים פתרונות ישימים מיידית לייצרני מטוסים המבקשים לשפר את היעילות, האמינות והאיכות בייצור רכיבי טייטנום. מחקר עתידי אמור לבחון את האופטימיזציה של פרמטרי משלוח הקריאוגנים (עיצוב נוזל, זמינות הפולס), להרחיב את השיטה לسبائك טייטנום ביצועים גבוהות אחרות, ולערוך ניתוח מקיף מבחינה טכנולוגית-כלכלית ומשפיעת הסביבה של יישום עיבוד קריאוגני.