Titanium CNC-bewerking voor luchtvaartstructuren

Titaniumlegeringen stellen grote uitdagingen voor CNC-bewerking in luchtvaartstructuren door inherente eigenschappen zoals lage thermische geleidbaarheid en hoge chemische reactiviteit. Dit werk beschrijft een gestandaardiseerde methodologie voor het optimaliseren van de CNC-bewerking van Ti-6Al-4V, met als doel het verminderen van slijtage aan het gereedschap en het behalen van strikte geometrische toleranties. Bewerkingsproeven zijn uitgevoerd op multi-as CNC-centra uitgerust met geavanceerde gereedschapsschakelmonitoring (GSM)-systemen. Snijparameters (snelheid, voeding, inloopdiepte) en toolpadstrategieën werden systematisch gevarieerd. De resultaten tonen aan dat het gebruik van gepulste cryogene koeling het gemiddelde flankverslijt met 42% verminderde in vergelijking met conventionele overstromingskoeling, terwijl adaptieve trochoidale freesstrategieën de bewerkingstijd met 18% verlaagden en de oppervlakteruwheid (Ra) verbeterden met 15% voor dunwandige onderdelen. Gegevensanalyse bevestigt een sterke correlatie tussen specifieke snij-energie en progressieve gereedschapsslijtage. Deze bevindingen bieden concrete strategieën voor het verhogen van bewerkingsrendement en onderdeelkwaliteit voor kritische luchtvaartstructuren. Beperkingen zijn de focus op Ti-6Al-4V; toepasbaarheid op andere titaniumkwaliteiten vereist verdere validatie.

1
De onvermoeide streven naar prestaties en brandstofefficiëntie in moderne lucht- en ruimtevaartontwerpen vereist het uitgebreide gebruik van titaanlegeringen, voornamelijk Ti-6Al-4V. Hun uitzonderlijke sterkte-gewichtverhouding en corrosiebestendigheid maken ze ideaal voor kritieke structurele onderdelen zoals landingsgestellen, motoraanhangers en rompsecties [1]. Echter, deze zelfde eigenschappen - met name lage thermische geleidbaarheid, hoge sterkte bij verhoogde temperaturen en sterke chemische affiniteit voor gereedschapsmaterialen - maken titaan berucht om moeilijk efficiënt en nauwkeurig te bewerken [2]. Uitdagingen tonen zich aan als snel gereedschapverloop, slechte oppervlakte-integriteit, mogelijke vervorming van het werkstuk (vooral bij dunne secties) en verhoogde productiekosten [3]. Bijgevolg blijft het optimaliseren van CNC-bewerkingsprocessen voor titaanluchtvaartstructuren een kritieke industriële doelstelling. Dit werk presenteert een praktische methodologie en experimentele resultaten gericht op het overwinnen van deze uitdagingen via parameteroptimalisatie en innovatieve koelstrategieën, met als doel betrouwbare, kostenefficiënte productieprotocollen vast te stellen.

2 Methoden
2.1 Experimenteel ontwerp & Werkstukmateriaal
Het onderzochte basismateriaal was gegloeid Ti-6Al-4V (Grade 5) plaat, conform de specificaties AMS 4911L. De belangrijkste bewerkingsprocessen die werden bestudeerd, waren omtrekfrezen (schoffelen en afwerken) en zakfrezen, wat representatief is voor veelvoorkomende luchtvaartstructurele kenmerken. Werkstukken werden stevig bevestigd met behulp van speciaal ontworpen vacuümklemmen en strategisch mechanisch klemmen om trillingen en vervorming te minimaliseren, met name essentieel voor dunwandige geometrieën.

2.2 Bewerkingsapparatuur & Gereedschap
De experimenten werden uitgevoerd op een 5-assige DMG MORI DMU 80 eVo lineaire CNC-bewerkingsmachine (40 kW spil, max. 18.000 omw/min). De gebruikte snijgereedschappen waren:

• Ruw bewerken: Massieve hardmetalen frezen (Ø10 mm, 4-vezel, ZrN-gecoat) met variabele helix/pitch-geometrie.

• Afwerking: Massieve hardmetalen frezen (Ø8 mm & Ø6 mm, 4-vezel, AlTiN-gecoat).
  De toolconditie (zijdeverslijt VBmax) werd tijdens het proces gemonitord door een combinatie van analyse van het vermogensverbruik van de spil (Siemens Sinumerik 840D sl geïntegreerde monitoring) en periodieke offline metingen via een Keyence VHX-7000 digitale microscoop. Het oppervlaktestheid (Ra, Rz) werd gemeten met een Mitutoyo Surftest SJ-410 profiometer. De dimensionele nauwkeurigheid werd geverifieerd met een Zeiss CONTURA G2 coördinatenmeetmachine (CMM).

2.3 Procesvariabelen & Data-acquisitie
Belangrijke onafhankelijke variabelen die systematisch zijn getest, waren:

• Sneelsnelheid (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Voeding per tand (fz): 0,04 mm/tand - 0,12 mm/tand

• Axiale freesdiepte (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (afwerking), 5 mm - 15 mm (schoffelen)

• Radiale freesdiepte (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptieve strategieën)

• Koelstrategie: Conventionele vloedemulsie (6%), Puls cryogene stikstof (LN2)

• Toolpadstrategie: Conventionele parallelle paden, Adaptieve trochoidale freesbewerking.
  Gemeten afhankelijke variabelen waren flankverslijt (VBmax), oppervlakteruwheid (Ra, Rz), specifieke sneedenergie (SCE), bewerkingstijd per onderdeel, en dimensionale afwijking op kritieke onderdelen (wanddikte, gatpositie). Gegevensregistratie vond plaats direct vanaf het CNC-besturingssysteem (vermogen, koppel, tijd) en via offline metrologie. Er werden minimaal drie herhalingen per conditie uitgevoerd.

3 Resultaten en Analyse
3.1 Prestatie van toolverslijt
Zijdverslijt werd aanzienlijk beïnvloed door de koelstrategie en de snijsnelheid. Figuur 1 toont de dominante trend: het gebruik van gepulste cryogene LN2-koeling verminderde het toolverslijt aanzienlijk over alle geteste snijsnelheden in vergelijking met conventionele vloedemulsie. Bij de gemiddelde snelheid (60 m/min) werd de gemiddelde VBmax na het bewerken van een gestandaardiseerd materiaalvolume met 42% verlaagd door gebruik van cryogene koeling. Hoge snijsnelheden (80 m/min) onder vloedkoeling leidden tot catastrofale tooldefecten (afbrokkeling) binnen een korte periode, terwijl cryogene koeling langer bewerken mogelijk maakte, zij het met versneld slijt in vergelijking met lagere snelheden. Analyse van de spindelvermogensignalen toonde een sterke correlatie met offline VBmax-metingen, waarmee de effectiviteit van het TCM-systeem voor slijtvoorspelling werd bevestigd (R² = 0,91).

3.2 Oppervlaktekwaliteit en geometrische nauwkeurigheid
Oppervlakteruwheid (Ra) werd voornamelijk beïnvloed door de voedingssnelheid en het gereedschapspad in nabewerkingsoperaties. Het verlagen van de voeding per tand (fz) van 0,08 mm/tand naar 0,05 mm/tand verbeterde de gemiddelde Ra-waarde met ongeveer 25%. Belangrijk is dat het toepassen van adaptieve trochoidale freesbewerking voor het nabewerken van dunne wanden (ap = 8 mm, wanddikte 1,5 mm) een verbetering van 15% in Ra opleverde (gemiddeld 0,32 µm vergeleken met 0,38 µm met parallelle banen) en de vervorming van het onderdeel verminderde met 30%, gemeten aan de hand van de afwijking van de nominale wanddikte met een CMM (figuur 2). Deze strategie verkortte ook de bewerkingstijd voor deze kenmerken met 18%, doordat hogere gemiddelde materiaalafvoersnelheden werden gehandhaafd via constante gereedschapinspanningscontrole.

3.3 Productiviteit en energieverbruik
Specifieke sneedenergie (SCE), een belangrijke indicator voor procesefficiëntie, nam zoals verwacht af bij toenemende materiaalafvoersnelheid (MRR). Het gebruik van cryogene koeling leidde echter tot een 10-15% hogere SCE in vergelijking met vloedkoeling bij gelijke MRR, wat wordt toegeschreven aan de energiekosten van de levering van LN2. Ondanks dit nadeel leidde de aanzienlijke verlenging van de toollevensduur en de reductie van niet-snijtijd (gereedschapswissels, afstellingen) tot een netto productiviteitsstijging van ongeveer 20% per werkstuk voor complexe structuuronderdelen, waardoor het SCE-nadeel werd gecompenseerd.

4 Discussie
De geconstateerde sterke afname van slijtage van het gereedschap bij gebruik van gepulste cryogene stikstofkoeling komt overeen met gevestigde mechanismen: stikstof (LN2) onderdrukt effectief de hoge temperaturen in de snijzone die inherent zijn aan het bewerken van titanium, waardoor diffusie- en adhesieslijtageprocessen, die veel voorkomen bij carbidegereedschap, worden verminderd [4, 5]. De gepulste toediening verhoogt waarschijnlijk de doordringing in de interface tussen gereedschap en span terwijl verspilling wordt geminimaliseerd. Het succes van adaptieve trochoidale freesbewerking, met name voor dunne wanden, komt voort uit het handhaven van bijna constante radiale inschakeling en verminderde snijkrachten, waardoor de buiging van het gereedschap en trillingen van het werkstuk worden beperkt [6]. Dit resulteert direct in verbeterde geometrische nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit.

Een belangrijke beperking van deze studie is het focussen op Ti-6Al-4V. Hoewel dit dominant is, vertonen andere titaanlegeringen (bijvoorbeeld Ti-5553, near-beta legeringen) verschillende bewerkbaarheidskenmerken; de hier gepresenteerde bevindingen vereisen validatie voor deze materialen. Bovendien vereisen de economische en milieugevolgen van een wijdverspreide toepassing van cryogene LN2 een zorgvuldige levenscyclusbeoordeling, waarbij de besparing op gereedschap en productiviteitswinsten worden afgewogen tegen de kosten/koolstofvoetafdruk van LN2-productie en -levering.

Voor de praktijk van lucht- en ruimtevaartproductie ondersteunen deze resultaten sterk:

1. Toepassen van gepulste cryogene bewerking: Voor kritieke, langdurige titaanfrezaubewerkingen, met name voor schuren en semi-finishing, om de levensduur van het gereedschap en de procesbetrouwbaarheid te maximaliseren.

2. Toepassen van adaptieve gereedschapspaden: Met name trochoidale strategieën voor het afwerken van dunwandige lucht- en ruimtevaartstructuren om de oppervlakte-integriteit, dimensionele nauwkeurigheid en doorvoer te verbeteren.

3. Integratie van gereedschapstoestandsbewaking: Het gebruik van spindelvermogenseinen biedt een praktische, machine-geïntegreerde methode voor het voorspellen van slijtage van het gereedschap en het proactief plannen van vervangingen, waardoor het risico op afval wordt verkleind.

5 Conclusie
Deze studie toont effectieve strategieën aan voor het verbeteren van het CNC-frezen van Ti-6Al-4V voor eisende lucht- en ruimtevaartstructuren. Pulskoeling met cryogene vloeibare stikstof vermindert significante sneldeslijtage, een belangrijke beperking, waardoor hogere duurzame snijdsnelheden en langere levensduur van het gereedschap mogelijk zijn. Adaptieve trochoidale freestrategieën verbeteren het oppervlak, de dimensionele nauwkeurigheid (met name voor dunne wanden) en de algehele productiviteit in vergelijking met conventionele parallelle banen. Het verband tussen het monitoren van het vermogen van de spindel en het slijten van het gereedschap biedt een bruikbare methode voor procesbesturing. Deze bevindingen bieden direct toepasbare oplossingen voor lucht- en ruimtevaartfabrikanten die de efficiëntie, betrouwbaarheid en kwaliteit van titaniumcomponentproductie willen verbeteren. Toekomstig onderzoek moet zich richten op de optimalisatie van de parameters voor de toediening van cryogene stikstof (ontwerp van de spuitmond, puls timing), de uitbreiding van de methodologie naar andere hoogwaardige titaanlegeringen en het uitvoeren van gedetailleerde techno-economische en milieueffectanalyses van de implementatie van cryogeen bewerken.