Titanium CNC-bearbeiding for luftfartsstrukturer

Titanlegeringer innebærer betydelige utfordringer for CNC-saging i luftfartsstrukturanvendelser på grunn av indre egenskaper som lav termisk ledningsevne og høy kjemisk reaktivitet. Dette arbeidet beskriver en strukturert metodikk for å optimere CNC-saging av Ti-6Al-4V, med fokus på å redusere verktøy slitasje og oppnå strenge geometriske toleranser. Sagingsforsøk ble utført med flerakse CNC-sentre utstyrt med avanserte verktøytilstandsovervåkningssystemer (TCM). Skjæreparametere (hastighet, tilbakegang, sagedybde) og verktøysti-strategier ble systematisk variert. Resultatene viser at bruk av pulsert kryogenisk kjøling reduserte gjennomsnittlig flankeslitasje med 42 % sammenlignet med konvensjonell flodbasert kjøling, mens adaptive trochoidale sagingstrategier reduserte sagingstid med 18 % og forbedret overflateruhet (Ra) med 15 % for tynnveggede komponenter. Dataanalyse bekrefter en sterk sammenheng mellom spesifikk skjærenergi og progressiv verktøy slitasje. Disse funnene gir håndterbare strategier for å forbedre sagingseffektivitet og delkvalitet for kritiske luftfartsstrukturer. Begrensninger inkluderer fokuset på Ti-6Al-4V; anvendelighet på andre titanlegeringer krever ytterligere validering.

1
Den utrolige jakten på ytelse og drivstoffeffektivitet i moderne luftfartdesign krever omfattende bruk av titanlegeringer, hovedsakelig Ti-6Al-4V. Deres ekstraordinære styrke-til-vekt-forhold og korrosjonsbestandighet gjør dem ideelle for kritiske strukturkomponenter som landingsutstyr, motorfestinger og airframe-seksjoner [1]. Imidlertid gjør disse samme egenskapene – spesielt lav termisk ledningsevne, høy styrke ved høye temperaturer og sterk kjemisk affinitet for verktøymaterialer – titan berømt vanskelig å bearbeide effektivt og nøyaktig [2]. Utfordringene viser seg som rask verktøyslitasje, dårlig overflateintegritet, potensiell arbeidsstykkedistorsjon (spesielt i tynne seksjoner) og økte produksjonskostnader [3]. Derfor forblir optimalisering av CNC-maskinprosesser for titanluftfartsstrukturer et viktig industrielt mål. Dette arbeidet presenterer en praktisk metodikk og eksperimentelle resultater rettet mot å overkomme disse utfordringene gjennom parameteroptimalisering og innovative kjølestrategier, med mål om å etablere pålitelige og kostnadseffektive produksjonsprotokoller.

2 Metoder
2.1 Eksperimentell Design & Verktøy Materiale
Kjemisk sammensetning av kjernematerialet var annerter Ti-6Al-4V (Grade 5) plate, i samsvar med spesifikasjonene i AMS 4911L. Hovedsaklig fokusert på bearbeidingsoperasjoner var perifer fræsing (forming og avslutning) og lommefræsing, representativ for vanlige luftfartsstrukturer. Verktøyene ble sikkert festet ved hjelp av tilpassede vakuumkroker og strategisk mekanisk klemming for å minimere vibrasjoner og avbøyning, spesielt viktig for tynnveggsgeometrier.

2.2 Bearbeidingsutstyr & Verktøy
Eksperimenter ble utført på en 5-akslet DMG MORI DMU 80 eVo lineær CNC-maskinsentral (40 kW spindel, maks 18 000 omdr/min). Skjæerverktøy inkluderte:

• Grovt bearbeiding: Massive karbidhugger (Ø10 mm, 4-skjær, ZrN-bekledt) med variabel helix/pitch geometri.

• Avslutning: Massive karbidhugger (Ø8 mm & Ø6 mm, 4-skjær, AlTiN-bekledt).
  Verktøytilstand (flankeslitasje VBmaks) ble overvåket under prosessen ved hjelp av en kombinasjon av analyse av spindelstrømforbruk (Siemens Sinumerik 840D sl integrert overvåkning) og periodiske offline målinger via et Keyence VHX-7000 digitalt mikroskop. Overflateruhet (Ra, Rz) ble målt ved hjelp av en Mitutoyo Surftest SJ-410 profilometer. Dimensjonell nøyaktighet ble verifisert med en Zeiss CONTURA G2 koordinatmålemaskin (CMM).

2.3 Prosessvariabler og datainnsamling
Nødvendige uavhengige variabler som ble systematisk testet inkluderte:

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

• Forskyvning per tenn (fz): 0,04 mm/tenn - 0,12 mm/tenn

• Aksial dybde på skjæring (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finskæring), 5 mm - 15 mm (råskjæring)

• Radiell dybde på skjæring (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptive strategier)

• Kjølestrategi: Konvensjonell flodblanding (6 %), Pulset kryogenisk flytende nitrogen (LN2)

• Verktøybanestrategi: Konvensjonelle parallelle baner, Adaptiv trochoidalskæring.
  Avhengige variabler som ble målt var flankslitasje (VBmax), overflateruhet (Ra, Rz), spesifikk skjærenergi (SCE), maskineringstid per detalj, og dimensjonale avvik på kritiske detaljer (veggtykkelse, hullposisjon). Datainnsamling skjedde direkte fra CNC-styringssystemet (effekt, dreiemoment, tid) og via offlinemetrologi. Minimum tre replikater per betingelse ble utført.

3 Resultater og Analyse
3.1 Verktøyslitasjeytelse
Flankeslitasjeprogresjonen ble vesentlig påvirket av kjølestrategi og skjærehastighet. Figur 1 illustrerer den dominerende trenden: bruk av pulset kryogenisk LN2-kjøling reduserte verkøysslitasje markant ved alle testede skjærehastigheter sammenlignet med konvensjonell flodblanding. Ved middels skjærehastighet (60 m/min) ble gjennomsnittlig VBmax etter bearbeiding av et standardisert volum av materiale redusert med 42 % ved bruk av kryogenisk kjøling. Høye skjærehastigheter (80 m/min) under flodblanding førte til katastrofalt verkøysfeil (splinterdannelse) innen kort tid, mens kryogenisk kjøling tillot vedvarende bearbeiding, om enn med økt slitasje sammenlignet med lavere hastigheter. Analyse av spindelkraftsignaler korrelerte sterkt med offline VBmax-målinger, og bekreftet TCM-systemets effektivitet for slitasjepredikering (R² = 0,91).

3.2 Overflatekvalitet og geometrisk nøyaktighet
Overflateruhet (Ra) ble i hovedsak påvirket av tilsetting og verktøybanestrategi i ferdigbearbeidingsoperasjoner. Reduksjon av tilsetting per tenn (fz) fra 0,08 mm/tenn til 0,05 mm/tenn forbedret gjennomsnittlig Ra med omtrent 25 %. Viktig nok ga implementering av adaptiv trokoidfræsing for ferdigbearbeiding av tynne veger (ap = 8 mm, vegtykkelse 1,5 mm) en forbedring på 15 % i Ra (gjennomsnitt 0,32 µm mot 0,38 µm med parallelle baner) og reduserte deformasjon av delen med 30 %, målt ved hjelp av CMM-avvik fra nominell vegtykkelse (figur 2). Denne strategien reduserte også maskintiden for disse funksjonene med 18 % ved å opprettholde høyere gjennomsnittlig materialborttakingshastigheter gjennom konstant verktøyinngripenkontroll.

3.3 Produktivitet og energiforbruk
Spesifikk særenergi (SCE), en nøkkelindikator for prosesseffektivitet, sank med økende sponvolum (MRR) som forventet. Imidlertid førte bruk av kryogen kjøling til en 10–15 % høyere SCE sammenlignet med flomkjøling ved tilsvarende MRR, noe som skyldes energikostnaden for tilførsel av LN2. Likevel førte den betydelige forlengelsen av verktøyliv og reduksjonen i ikke-særetid (verktøybytter, justeringer) til en netto produktivitetsøkning på omtrent 20 % per arbeidsdel for komplekse strukturdelene, og oppveid SCE-avkastningen.

4 Drøfting
Den observerte dramatiske reduksjonen i verktøy slitasje ved bruk av pulset kryogenisk LN2-kjøling er i samsvar med etablerte mekanismer: LN2 undertrykker effektivt de høye temperaturer i skjæresonen som er karakteristiske for titanbehandling, og reduserer dermed diffusjons- og adhesjonsslitasjemekanismer som er vanlige ved bruk av karbidverktøy [4, 5]. Den pulsede tilførselen sannsynligvis forbedrer inntrengning i grensesnittet mellom verktøy og spåner, samtidig som unødvendig forbruk minimeres. Suksessen til adaptiv trochoidal fræsing, spesielt for tynne vegger, ligger i å opprettholde nesten konstant radial inngrifing og reduserte skjærekrefter, noe som minimerer verktøydeformasjon og arbeidsemnevibrasjoner [6]. Dette fører direkte til forbedret geometrisk nøyaktighet og overflatekvalitet.

En viktig begrensning i denne studien er fokuseringen på Ti-6Al-4V. Selv om denne legeringen er dominerende, viser andre titanglegeringer (for eksempel Ti-5553, nær-beta-legeringer) ulike bearbeidingsegenskaper; funnene her må valideres for disse materialene. Videre kreves en nøye livsløpsvurdering av de økonomiske og miljømessige konsekvensene ved bred innføring av kryogenisk LN2, der besparelser på verktøy og produktivitetsgevinster avveies mot kostnader og karbonavtrykk forbundet med produksjon og levering av LN2.

For praktiserende i luftfartindustrien støtter disse resultatene sterkt følgende tiltak:

1. Innføring av pulset kryogen bearbeiding: For kritiske og langvarige titanfræsoperasjoner, spesielt rå- og halvblankfræsing, for å maksimere verktøyliv og prosessikkerhet.

2. Innføring av adaptive verktøybaner: Spesielt trokoidale strategier for blankfræsing av tynnvete luftfartsstrukturer for å forbedre overflateintegritet, dimensjonsnøyaktighet og produksjonskapasitet.

3. Integrasjon av verktøymonitering: Bruk av spindelkraftsignaler gir en praktisk, maskinintegrert metode for å forutsi slitasje på verktøy og planlegge utskiftninger proaktivt, og reduserer risikoen for avskriving.

5 Konklusjon
Denne studien demonstrerer effektive strategier for å forbedre CNC-saging av Ti-6Al-4V for krevende strukturelle flyplassapplikasjoner. Pulset kryogenisk flytende nitrogenkjøling reduserer betydelig raskt verktøy slitasje, en primær begrensning, og muliggjør høyere bærekraftige skjære hastigheter og lengre verktøy levetid. Adaptiv trochoidal fræsing verktøybaner forbedrer overflatebehandling, dimensjonell nøyaktighet (spesielt for tynne vegg), og total produktivitet sammenlignet med konvensjonelle parallelle baner. Korrelasjonen mellom spindelstrømovervåkning og verktøyslitasje gir en egnet metode for prosesskontroll. Disse funnene gir direkte anvendbare løsninger for flyprodusenter som søker å forbedre effektivitet, pålitelighet og kvalitet i produksjon av titan komponenter. Fremtidig arbeid bør undersøke optimalisering av kryogene leveringsparametere (dyse design, puls timing), utvide metodikken til andre høytytende titan legeringer, og gjennomføre omfattende teknøkonomiske og miljøpåvirkningsanalyser av kryogen bearbeiding implementering.