Tokarka CNC z tytanu do konstrukcji lotniczych

Stopy tytanu stanowią duże wyzwanie w obróbce CNC w zastosowaniach strukturalnych w lotnictwie ze względu na właściwości takie jak niska przewodność cieplna i wysoka reaktywność chemiczna. W pracy tej przedstawiono uporządkowaną metodologię optymalizacji obróbki CNC Ti-6Al-4V, skupiając się na ograniczeniu zużycia narzędzi i osiągnięciu ścisłych tolerancji geometrycznych. Badania obróbkowe przeprowadzono na centrach CNC wieloosiowych wyposażonych w zaawansowane systemy monitorowania stanu narzędzi (TCM). Parametry skrawania (prędkość, posuw, głębokość skrawania) oraz strategie ścieżki narzędzia były zmieniane w sposób systematyczny. Wyniki wykazały, że zastosowanie pulsacyjnego chłodzenia kriogenicznego zmniejszyło średnie zużycie natarza bocznego o 42% w porównaniu do tradycyjnego chłodzenia strumieniowego, podczas gdy adaptacyjne strategie frezowania trochoidealnego skróciły czas obróbki o 18% i poprawiły chropowatość powierzchni (Ra) o 15% dla cienkościennych elementów. Analiza danych potwierdziła silną korelację pomiędzy energią właściwą skrawania a postępującym zużyciem narzędzi. Uzyskane wyniki dostarczają skutecznych strategii poprawiających efektywność obróbki i jakość części dla krytycznych konstrukcji lotniczych. Ograniczeniem jest skupienie się na Ti-6Al-4V; zastosowanie do innych gatunków tytanu wymaga dalszych badań.

1
Nieustępujące dążenie do osiągania wysokiej wydajności i oszczędności paliwa w nowoczesnym projektowaniu lotniczym wymaga szerokiego stosowania stopów tytanu, głównie Ti-6Al-4V. Ich wyjątkowa wytrzymałość przy niskiej masie oraz odporność na korozję czyni je idealnym materiałem na kluczowe elementy konstrukcyjne, takie jak podwozie, mocowania silnika czy sekcje kadłuba [1]. Jednakże te same właściwości – w szczególności niska przewodność cieplna, wysoka wytrzymałość w podwyższonej temperaturze oraz silna powinowactwo chemiczne do materiałów narzędzi – czynią tytan notorycznie trudnym do precyzyjnego i efektywnego obrabiania [2]. Wyzwaniami w tym zakresie są szybkie zużywanie się narzędzi, niska jakość powierzchni, potencjalne odkształcenia przedmiotu (szczególnie w cienkich sekcjach) oraz podwyższone koszty produkcji [3]. W związku z tym optymalizacja procesów obróbki CNC dla konstrukcji lotniczych z tytanu pozostaje kluczowym celem przemysłowym. W tej pracy przedstawiono praktyczną metodologię oraz wyniki badań eksperymentalnych skupionych na pokonywaniu tych wyzwań poprzez optymalizację parametrów i innowacyjne strategie chłodzenia, mając na celu opracowanie wiarygodnych i opłacalnych protokołów produkcyjnych.

2 Metody
2.1 Projektowanie eksperymentu i materiał obrabiany
Badanym materiałem podstawowym była blacha Ti-6Al-4V (stop klasy 5) poddana odpuszczaniu, zgodna z normą AMS 4911L. Badanymi operacjami obróbczymi były frezowanie obwodowe (zgrubne i wykańczające) oraz frezowanie kieszeni, reprezentujące typowe elementy konstrukcyjne stosowane w przemyśle lotniczym. Przedmioty obrabiane były trwale zamocowane przy użyciu specjalnych uchwytów próżniowych oraz strategicznego mocowania mechanicznego w celu zminimalizowania drgań i ugięć, szczególnie istotnego przy cienkościennych geometriach.

2.2 Urządzenia i narzędzia do obróbki
Eksperymenty przeprowadzono na 5-osiowym centrum tokarsko-frezującym DMG MORI DMU 80 eVo (wrzeciono 40 kW, maks. 18 000 obr/min). Narzędzia skrawające obejmowały:

• Wstępne obrabianie: Frezarki z węglika spiekanego (średnica 10 mm, 4-fazowe, pokryte warstwą ZrN) o zmiennej geometrii linii śrubowej/rozwinięcia.

• Wykończenie: Frezarki z węglika spiekanego (średnica 8 mm i 6 mm, 4-fazowe, pokryte warstwą AlTiN).
  Stan narzędzia (zużycie boczne VBmax) był monitorowany w trakcie procesu za pomocą analizy zużycia mocy wrzeciona (wbudowane monitorowanie Siemens Sinumerik 840D sl) oraz okresowych pomiarów poza procesem przy użyciu cyfrowego mikroskopu Keyence VHX-7000. Chropowatość powierzchni (Ra, Rz) była mierzona za pomocą profilometru Mitutoyo Surftest SJ-410. Dokładność wymiarową zweryfikowano przy użyciu maszyny pomiarowej współrzędnych Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Zmienne procesowe i pozyskiwanie danych
Kluczowe zmienne niezależne, które zostały poddane systematycznemu testowaniu, obejmowały:

• Prędkość skrawania (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Posuw na ząb (fz): 0,04 mm/ząb - 0,12 mm/ząb

• Głębokość skrawania osiowa (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (wykańczanie), 5 mm - 15 mm (obszary zgrubne)

• Głębokość skrawania promieniowa (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (strategie adaptacyjne)

• Strategia chłodzenia: konwencjonalne zalewanie emulsją (6%), pulsujące chłodzenie kriogeniczne ciekłym azotem (LN2)

• Strategia ścieżki narzędzia: konwencjonalne ścieżki równoległe, adaptacyjne frezowanie trochoidealne.
  Mierzonymi zmiennymi zależnymi były zużycie boczne (VBmax), chropowatość powierzchni (Ra, Rz), jednostkowa energia skrawania (SCE), czas obróbki na detal oraz odchyłki wymiarowe istotnych detali (grubość ścianki, położenie otworu). Rejestracja danych odbywała się bezpośrednio z systemu sterującego CNC (moc, moment obrotowy, czas) oraz poprzez pomiar offline. Dla każdego warunku wykonano co najmniej trzy powtórzenia.

3 Wyniki i analiza
3.1 Wydajność narzędzi w zakresie zużycia
Postęp zużycia bocznego znacząco wpływała strategia chłodzenia i prędkość skrawania. Rysunek 1 ilustruje dominujący trend: zastosowanie pulsacyjnego chłodzenia kriogenicznego LN2 znacząco zmniejszyło zużycie narzędzi we wszystkich przetestowanych prędkościach skrawania w porównaniu do tradycyjnego chłodzenia emulsją. Dla średniej prędkości (60 m/min) średnia wartość VBmax po obróbce znormalizowanej objętości materiału zmniejszyła się o 42% przy zastosowaniu chłodzenia kriogenicznego. Wysokie prędkości skrawania (80 m/min) przy chłodzeniu tradycyjnym prowadziły do katastrofalnego zniszczenia narzędzia (łuskania) w krótkim czasie, podczas gdy chłodzenie kriogenne umożliwiało kontynuowanie obróbki, choć z przyspieszonym zużyciem w porównaniu z niższymi prędkościami. Analiza sygnałów mocy wrzeciona silnie skorelowała z pomiarów offline VBmax, potwierdzając skuteczność systemu TCM do prognozowania zużycia (R² = 0,91).

3.2 Jakość powierzchni i dokładność geometryczna
Chropowatość powierzchni (Ra) była przede wszystkim wpływana przez posuw i strategię ścieżki narzędzia w operacjach wykańczających. Zmniejszenie posuwu na ząb (fz) z 0,08 mm/ząb do 0,05 mm/ząb poprawiło średnią wartość Ra o około 25%. Kluczowe okazało się zastosowanie adaptacyjnego frezowania trochoidalnego przy wykańczaniu cienkich ścianek (ap = 8 mm, grubość ścianki 1,5 mm), co dało 15% poprawę Ra (średnio 0,32 µm w porównaniu do 0,38 µm przy ścieżkach równoległych) oraz zmniejszyło odkształcenia części o 30%, co zmierzono jako odchylenie na CMM od nominalnej grubości ścianki (Rysunek 2). Ta strategia pozwoliła również skrócić czas obróbki tych elementów o 18% dzięki utrzymywaniu wyższych średnich wartości usuwania materiału poprzez kontrolę stałego obciążenia narzędzia.

3.3 Wydajność i zużycie energii
Specyficzna energia skrawania (SCE), kluczowy wskaźnik efektywności procesu, zmniejszała się wraz ze wzrostem szybkości usuwania materiału (MRR), zgodnie z oczekiwaniami. Jednak zastosowanie chłodzenia kriogenicznego spowodowało o 10–15% wyższą wartość SCE w porównaniu do chłodzenia strumieniowego przy równoważnej MRR, co wynika z kosztu energetycznego dostawy ciekłego azotu (LN2). Niemniej jednak znaczne wydłużenie trwałości narzędzi oraz zmniejszenie czasu niezwiązanych ze skrawaniem (wymiana narzędzi, regulacje) doprowadziło do ogólnego wzrostu wydajności o około 20% na jedno opracowywane części, co zrekompensowało dodatkowy nakład SCE.

4 Dyskusja
Zauważony znaczący spadek zużycia narzędzi przy zastosowaniu pulsacyjnego chłodzenia kriogenicznego LN2 jest zgodny z ustalonymi mechanizmami: LN2 skutecznie tłumi wysokie temperatury strefy skrawania charakterystyczne dla obróbki tytanu, zmniejszając tym samym zużycie ścierne i adhezyjne, które są powszechne przy zastosowaniu narzędzi z węglika spiekanego [4, 5]. Pulsacyjna metoda dostawy prawdopodobnie zwiększa penetrację w obszarze styku narzędzia i wióra, jednocześnie minimalizując niepotrzebne zużycie. Sukces adaptacyjnego frezowania trochoidalnego, szczególnie przy cienkich ściankach, wynika z utrzymywania niemal stałego wzbudzenia promieniowego i zmniejszonych sił skrawania, co minimalizuje ugięcie narzędzia oraz wibracje przedmiotu obrabianego [6]. Przekłada się to bezpośrednio na poprawę dokładności geometrycznej i jakości powierzchni.

Głównym ograniczeniem tego badania jest jego skupienie na Ti-6Al-4V. Mimo że jest on dominujący, inne stopy tytanu (np. Ti-5553, stopy typu near-beta) wykazują odmienne właściwości obrabialności; wyniki te wymagają weryfikacji dla tych materiałów. Co więcej, skutki ekonomiczne i środowiskowe powszechnego stosowania kriogenicznego azotu ciekłego (LN2) wymagają starannego cyklu oceny życia, równoważąc oszczędności materiałowe i zyski produkcyjne z kosztami produkcji i dostawy LN2/śladowym emisjom węgla.

Dla praktyki produkcji lotniczej, te wyniki stanowczo wspierają:

1. Wdrażanie impulsowej obróbki kriogenicznej: Do krytycznych, długotrwałych operacji frezowania tytanu, szczególnie do toczenia zgrubnego i półwykańczającego, w celu maksymalizacji trwałości narzędzi i niezawodności procesu.

2. Stosowanie narzędzi adaptacyjnych: Szczególnie strategie trochoidealne do wykańczania cienkościennych konstrukcji lotniczych w celu poprawy integralności powierzchni, dokładności wymiarowej i wydajności.

3. Integrowanie monitorowania stanu narzędzi: Wykorzystywanie sygnałów mocy wrzeciona zapewnia praktyczną, zintegrowaną z maszyną metodę przewidywania zużycia narzędzi i planowania ich wymiany w trybie zapobiegawczym, co zmniejsza ryzyko powstawania odpadów.

5 Wnioski
W tej pracy przedstawiono skuteczne strategie poprawiające toczenie CNC Ti-6Al-4V w wymagających zastosowaniach strukturalnych w lotnictwie. Chłodzenie ciekłym azotem w trybie impulsowym znacząco ogranicza szybkie zużycie narzędzi, co jest głównym ograniczeniem, umożliwiając tym samym stosowanie wyższych prędkości skrawania i wydłużając żywotność narzędzi. Ścieżki narzędzia w technice frezowania trochoidealnego poprawiają jakość powierzchni, dokładność wymiarową (zwłaszcza dla cienkich ścianek) oraz ogólną produktywność w porównaniu z tradycyjnymi ścieżkami równoległymi. Korelacja między pomiarem mocy wrzeciona a zużyciem narzędzia oferuje skuteczną metodę kontroli w trakcie procesu. Uzyskane wyniki stanowią bezpośrednie rozwiązania dla producentów z branży lotniczej, którzy chcą poprawić efektywność, niezawodność i jakość produkcji komponentów tytanowych. W przyszłości należy zająć się optymalizacją parametrów dostawy chłodu (projekt dyszy, czasowanie impulsów), rozszerzyć metodologię na inne wysokowydajne stopy tytanu oraz przeprowadzić kompleksową analizę techniczno-ekonomiczną i oddziaływania na środowisko zastosowania obróbki kriogenicznej.