Titano CNC apdirbimas orlaivių konstrukcijoms

Dėl savo savybių, tokių kaip žema šilumos laidumo geba ir aukšta cheminė reakcingumas, titano lydiniai kelia didelių iššūkių CNC apdirbimui, naudojamam aviacijos konstrukcijose. Šiame darbe pateikiama sisteminga metodika, kaip optimizuoti Ti-6Al-4V CNC apdirbimą, siekiant sumažinti įrankių nublizgimą ir pasiekti griežtas geometrines tikslumo ribas. Apdirbimo bandymai atlikti naudojant daugiakanopus CNC centrus, įrengtus pažengusiomis įrankių būklės stebėjimo (TCM) sistemomis. Buvo sistemingai keičiami pjūvio parametrai (greitis, padavimas, pjūvio gylis) ir įrankio judėjimo strategijos. Rezultatai parodė, kad naudojant impulsinį kriogeninį aušinimą, šoninio nublizgimo vidurkis sumažėjo 42 % lyginant su tradiciniu skysčio aušinimu, tuo tarpu adaptacinės trochoidinio frezavimo strategijos sumažino apdirbimo laiką 18 % ir pagerino paviršiaus šiurkštumą (Ra) 15 % plonaviduriams komponentams. Duomenų analizė patvirtino stiprią koreliaciją tarp specifinės pjūvio energijos ir progresyvaus įrankių nublizgimo. Šie rezultatai pateikia naudingas strategijas apdirbimo efektyvumui ir detalių kokybei kritiškoms aviacijos konstrukcijoms gerinti. Ribojimai apima koncentravimąsi tik į Ti-6Al-4V; kitų titano rūšių taikymas reikalauja papildomų patvirtinimų.

1
Nepaliaujamas siekis pagerinti našumą ir kuro naudą šiuolaikinioje aviacijos konstrukcijoje reikalauja plačiai naudoti titano lydinius, ypač Ti-6Al-4V. Jų puikus stiprio ir svorio santykis bei atsparumas korozijai daro juos idealiais svarbiems konstrukciniams komponentams, tokioms kaip važiuoklės, variklio tvirtinimo detalės ir karkaso dalys [1]. Tačiau būdingos šių medžiagų savybės – ypač žema šilumos laidumo gebėjimas, didelis karšto stipris ir stiprus cheminis pririšimas prie įrankių medžiagų – daro titaną itin sunkiai apdirbamą, efektyviai ir tiksliai [2]. Iššūkiai pasireiškia greitu įrankių nublizgimu, prasta paviršiaus kokybe, galimu darinio iškraipymu (ypač plonose sekcijose) ir padidėjusiomis gamybos išlaidomis [3]. Todėl titano naudojimo aviacijos konstrukcijose CNC apdirbimo procesų optimizavimas išlieka svarbiais pramonės tikslais. Šiame darbe pateikiama praktiškai metodika ir eksperimentinių rezultatai, skirti įveikti šiuos iššūkius, optimizuojant parametrus ir taikant inovatyvias aušinimo strategijas, siekiant sukurti patikimus ir ekonomiškai naudingus gamybos protokolus.

2 Metodai
2.1 Eksperimentinio dizaino ir darbo medžiagos parinkimas
Tyrimui naudota pagrindinė medžiaga – atkaitinta Ti-6Al-4V (5 klasės) plokštė, atitinkanti AMS 4911L specifikacijas. Pagrindinės apdirbimo operacijos, atliktos tyrimo metu, buvo apvadavimas (bruožimas ir apdailinimas) ir kišenės frezavimas, atspindintis dažniausiai naudojamus aviacijos konstrukcijų elementus. Darbo medžiagos buvo tvirtai pritvirtintos naudojant specialius vakuumo čiaupus ir strateginį mechaninį priveržimą siekiant sumažinti vibracijas ir nukrypimus, ypač svarbu plonų sienelių geometrijoms.

2.2 Apdirbimo įranga ir įrankiai
Eksperimentai atlikti naudojant 5 ašių DMG MORI DMU 80 eVo tiesinį CNC apdirbimo centrą (40 kW špindelį, maks. 18 000 apsukų/min). Pjaunant įrankius sudarė:

• Rūšiavimas: Monolitiniai kietmetaliai gręžtuvai (Ø10 mm, 4 išpjovos, ZrN danga) su kintamu sraigtu/skrydžio geometrija.

• Gaminimo užbaigimas: Monolitiniai kietmetaliai gręžtuvai (Ø8 mm ir Ø6 mm, 4 išpjovos, AlTiN danga).
  Įrankio būklė (šoninio nubrozdinimo VBmax) buvo stebima proceso metu, naudojant špindelio energijos suvartojimo analizę (Siemens Sinumerik 840D sl integruotą stebėjimo sistemą) ir periodinį offline matavimą naudojant Keyence VHX-7000 skaitmeninį mikroskopą. Paviršiaus šiurkštumą (Ra, Rz) matuota naudojant Mitutoyo Surftest SJ-410 profiliometrą. Matmenų tikslumą patvirtino Zeiss CONTURA G2 koordinačių matavimo mašina (CMM).

2.3 Proceso kintamieji ir duomenų registravimas
Pagrindiniai nepriklausomi kintamieji, kurie buvo sistemingai testuojami, apėmė:

• Apyvartos greitis (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Pavienkio danties padavimas (fz): 0,04 mm/dantis - 0,12 mm/dantis

• Aksialinis pjūvio gylis (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (baigiamasis apdirbimas), 5 mm - 15 mm (grubusis apdirbimas)

• Radialinis pjūvio gylis (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptacinės strategijos)

• Aušinimo strategija: Konvecinis emulsijos (6 %) užliejimas, impulsinis kriogeninis skystis azotas (LN2)

• Įrankio judymo strategija: Konvencinės lygiagrečios kryptys, adaptacinis trochoidinis frezavimas.
  Buvo matuojami šie priklausomi kintamieji: šoninė dėlė (VBmax), paviršiaus šiurkštumas (Ra, Rz), specifinė pjūvio energija (SCE), apdirbimo laikas vienai detalės savybei ir kritinių savybių (sienelės storis, skylės padėtis) nuokrypis. Duomenų registravimas vyko tiesiogiai iš CNC valdymo sistemos (galia, sukimo momentas, laikas) ir naudojant atskirą matavimo įrangą. Kiekvienai sąlygai buvo atlikta mažiausiai trys kartojimai.

3 Rezultatai ir analizė
3.1 Įrankio dėlės našumas
Šoninio nublukimo progresavimą reikšmingai paveikė aušinimo strategija ir pjūvio greitis. 1 paveikslėlyje pateikta dominuojanti tendencija: naudojant impulsinį kriogeninį LN2 aušinimą, įrankių nublukimas visuose išbandytuose pjūvio greičiuose buvo žymiai sumažintas lyginant su tradiciniu užliejimo emulsija būdu. Vidutiniu greičiu (60 m/min) vidutinis VBmax, įrankio nublukimas po apdirbimo standartizuotą medžiagos kiekį, buvo sumažintas 42 % naudojant kriogeninį aušinimą. Aukšti pjūvio greičiai (80 m/min) esant užliejimo aušinimui sukėlė katastrofišką įrankio gedimą (nubrozdinimus) per trumpą laiką, tuo tarpu kriogeninis aušinimas leido tęsti apdirbimą, nors nublukimas buvo didesnis lyginant su žemesniais greičiais. Spindelio energijos signalų analizė buvo stipriai koreliuota su atsijungusiais VBmax matavimais, patvirtinant TCM sistemos efektyvumą nublukimo prognozavimui (R² = 0,91).

3.2 Paviršiaus kokybė ir geometrinis tikslumas
Paviršiaus šiurkštumas (Ra) daugiausiai priklausė nuo padavimo našumo ir įrankio judėjimo strategijos atliekant paskutinio apdirbimo operacijas. Sumažinus padavimą vienam dantims (fz) nuo 0,08 mm/dantis iki 0,05 mm/dantis, vidutinis Ra pagerėjo maždaug 25%. Svarbu, kad naudojant adaptatyvų cikloidinį frezavimą, atliekant paskutinį apdirbimą plonoms sienoms (ap = 8 mm, sienos storis 1,5 mm), Ra pagerėjo 15% (vidutiniškai 0,32 µm palyginti su 0,38 µm naudojant lygiagrečias trajektorijas) ir sumažėjo detalės iškraipymas 30%, kaip parodyta CMM nuokrypimu nuo nominalaus sienos storio (2 pav.). Ši strategija taip pat sumažino apdirbimo laiką 18% šiems elementams, išlaikant didesnį vidutinį medžiagos šalinimo našumą dėl pastovaus įrankio apkrovimo kontrolės.

3.3 Našumas ir energijos suvartojimas
Specifinė pjūvio energija (SCE), svarbus proceso efektyvumo indikatorius, mažėjo didėjant medžiagos šalinimo našumui (MRR), kaip ir buvo tikimasi. Tačiau naudojant kriogeninį aušinimą, SCE buvo 10–15 % didesnė lyginant su užliejimo aušinimu esant vienodam MRR, dėl energijos sąnaudų, susijusių su skysto azoto tiekimu. Nepaisant šio trūkumo, reikšmingai pailgėjus įrankio tarnavimo laikui ir sumažėjus neaktyviam laikui (įrankių keitimui, reguliavimams), bendras našumas vienam darbui padidėjo apie 20 %, kompensuojant SCE sumažėjimą.

4 Aptarimas
Pastebėta, kad naudojant impulsinį kriogeninį LN2 aušinimą, įrankių nubrozdinimas smarkiai mažėja, o tai atitinka nustatytus mechanizmus: LN2 veiksmingai slopina aukštą pjūvio zonos temperatūrą, būdingą titano apdirbimui, taip sumažinant difuzijos ir adhezijos nubrozdinimo mechanizmus, kurie yra būdingi kietmetaliams įrankiams [4, 5]. Impulsinė tiekimo sistema, greičiausiai, padeda geresniam įsiskverbimui į įrankio ir drožlių sąsają, tuo pačiu mažinant neefektyvų šaltnešio suvartojimą. Adaptatyvaus trochoidinio frezavimo sėkmė, ypač plonoms sienoms, yra grindžiama beveik pastoviu radialiniu įsijungimu ir sumažintomis pjūvio jėgomis, kurios mažina įrankio nukrypimą ir darbinio kūno vibravimą [6]. Tai tiesiogiai lemia pagerintą geometrinį tikslumą ir paviršiaus kokybę.

Svarbus šio tyrimo apribojimas yra jo orientacija į Ti-6Al-4V. Nors šis lydinys yra dominuojantis, kiti titano lydiniai (pvz., Ti-5553, artimi beta lydiniai) turi kitokias apdirbimo savybes; šių rezultatų taikymui kitiems medžiagoms reikia papildomų patvirtinimų. Be to, plačiai naudojant kriogeninį azotą (LN2), reikia atidžiai įvertinti ekonominius ir ekologinius aspektus, sulyginti įrankių išlaidų ir produktyvumo padidėjimo pranašumus su LN2 gamybos ir pristatymo išlaidomis/anglies pėdsaku.

Aerospace gamybos praktikai šie rezultatai ryškiai palaiko:

1. Kriogeninio impulsinio apdirbimo diegimas: Kritiškai svarbiems, ilgalaikiams titano frezavimo procesams, ypač bruto apdirbimui ir pusiau apdailinimui, siekiant maksimaliai pratęsti įrankių tarnavimo laiką ir užtikrinti proceso patikimumą.

2. Adaptyvių maršrutų naudojimas: Ypač trochoidinės strategijos plonų sienų turinčių aviacinių konstrukcijų apdailinimui, siekiant pagerinti paviršiaus vientisumą, matmenų tikslumą ir pralaidumą.

3. Įrankių būklės stebėjimo sistemų integruotas naudojimas: Naudojant svarstyklių galios signalus, suteikiama praktiška, integruota į mašiną priemonė numatyti įrankių nublizgimą ir iš anksto suplanuoti pakeitimus, sumažinant atliekų riziką.

5 Išvados
Šis tyrimas demonstruoja veiksmingas strategijas Ti-6Al-4V apdirbimo naikant CNC staklėmis metodams pagerinti, ypač reikalavusiose aviacijos konstrukcinių detalių srityse. Pulsuojantis kriogeninis skysto azoto aušinimas reikšmingai sumažina greitą įrankių nubrozdinimą, kuris yra pagrindinė kliūtis, leidžiant padidinti palaikomąją pjūvio kirtimo spartą ir pratęsti įrankių tarnavimo laiką. Adaptatyvus trohoidinio frezavimo įrankio kelių naudojimas pagerina paviršiaus kokybę, matmenų tikslumą (ypač plonoms sienoms) ir bendrą darbo našumą lyginant su tradiciniais lygiagrečiais keliais. Stulpelio galios stebėjimo ir įrankio nubrozdimo koreliacija siūlo galimą procese naudojamą kontrolės metodiką. Šie rezultatai pateikia tiesiogiai pritaikomus sprendimus aviacijos gamintojams, siekiantiems padidinti titano komponentų gamybos efektyvumą, patikimumą ir kokybę. Toliau tirti būtina kriogeninio tiekimo parametrų optimizavimą (purkštuvų dizainas, impulso laikas), pritaikyti metodiką kitiems aukštos kokybės titano lydiniams ir atlikti išsamų techninio-ekonominio ir aplinkos poveikio analizę kriogeninio apdirbimo įgyvendinimui.