Prelucrare CNC din Titan pentru Structuri Aeronautice

Aliajele de titan ridică provocări semnificative pentru prelucrarea CNC în aplicații structurale aeronautice din cauza proprietăților intrinseci precum conductibilitatea termică redusă și reactivitatea chimică ridicată. Această lucrare detaliază o metodologie structurată pentru optimizarea prelucrării CNC a materialului Ti-6Al-4V, concentrându-se pe reducerea uzurii sculei și atingerea toleranțelor geometrice stricte. În cadrul testelor de prelucrare s-au utilizat centre CNC multiaxe echipate cu sisteme avansate de monitorizare a stării sculei (TCM). Parametrii de așchiere (viteză, avans, adâncime de tăiere) și strategiile de traseu al sculei au fost variați sistematic. Rezultatele demonstrează că utilizarea răcirii criogene pulsate a redus uzura medie a feței de așchiere cu 42% comparativ cu lichidul de răcire convențional, în timp ce strategiile de frezare trohoidale adaptive au redus timpul de prelucrare cu 18% și au îmbunătățit rugozitatea suprafeței (Ra) cu 15% pentru componentele cu pereți subțiri. Analiza datelor confirmă o corelație puternică între energia specifică de așchiere și uzura progresivă a sculei. Aceste concluzii oferă strategii aplicabile pentru creșterea eficienței prelucrării și a calității pieselor în cazul structurilor aeronautice critice. Printre limitări se numără faptul că studiul s-a concentrat exclusiv asupra Ti-6Al-4V; aplicabilitatea la alte tipuri de aliaje de titan necesită validări suplimentare.

1
Căutarea neîncetată a performanței și eficienței energetice în proiectarea modernă aeronautică necesită utilizarea extensivă a aliajelor de titan, în special Ti-6Al-4V. Raportul lor excepțional de rezistență pe greutate și rezistența la coroziune le fac ideale pentru componentele structurale critice precum trenul de aterizare, suporturile motorului și secțiunile de fuzelaj [1]. Cu toate acestea, aceleași proprietăți – în special conductibilitatea termică scăzută, rezistența ridicată la temperaturi înalte și afinitatea chimică puternică față de materialele sculelor – fac ca titanul să fie extrem de dificil de prelucrat eficient și precis [2]. Problemele apar sub forma uzurii rapide a sculelor, integrității superficiale slabe, posibilei deformări a semifabricatului (mai ales în secțiunile subțiri) și costurilor ridicate de producție [3]. În consecință, optimizarea proceselor de prelucrare CNC pentru structuri aeronautice din titan rămâne un obiectiv industrial esențial. Această lucrare prezintă o metodologie practică și rezultate experimentale concentrate pe depășirea acestor provocări prin optimizarea parametrilor și strategii inovatoare de răcire, având ca scop stabilirea unor protocoale de producție fiabile și eficiente din punct de vedere al costurilor.

2 Metode
2.1 Proiectarea experimentului și materialul piesei
Materialul de bază investigat a fost o tablă din Ti-6Al-4V (Clasa 5) recoaptă, conform specificațiilor AMS 4911L. Operațiunile principale de prelucrare studiate au fost frezarea periferică (degroșare și finisare) și frezarea buzunarelor, reprezentative pentru caracteristici structurale aeronautice comune. Piesele au fost fixate în mod sigur utilizând menghine cu vid personalizate și fixare mecanică strategică pentru a minimiza vibrațiile și deformațiile, mai ales pentru geometriile cu pereți subțiri.

2.2 Echipamente și scule de prelucrare
Experimentele au fost realizate pe un centru de prelucrare CNC cu 5 axe DMG MORI DMU 80 eVo (40 kW arbore principal, 18.000 rpm max). Sculele utilizate au fost:

• Pre-machetare: Freză integrale din carbide sinterizat (Ø10 mm, 4 canale, acoperite cu ZrN), cu geometrie variabilă a elicei/pasului.

• Finisare: Freză integrale din carbide sinterizat (Ø8 mm și Ø6 mm, 4 canale, acoperite cu AlTiN).
  Starea sculei (uzură pe flanc VBmax) a fost monitorizată în proces utilizând o combinație de analiză a consumului de putere a arborelui principal (monitorizare integrată Siemens Sinumerik 840D sl) și măsurători offline periodice cu un microscop digital Keyence VHX-7000. Rugozitatea suprafeței (Ra, Rz) a fost măsurată folosind un profilometru Mitutoyo Surftest SJ-410. Precizia dimensională a fost verificată cu o mașină de măsurat tridimensională Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variabile ale procesului și achiziția datelor
Variabile independente esențiale testate sistematic au inclus:

• Viteză de așchiere (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Avans pe dinte (fz): 0,04 mm/dinte - 0,12 mm/dinte

• Adâncime axială de așchiere (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finisare), 5 mm - 15 mm (degroșare)

• Adâncime radială de așchiere (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (strategii adaptive)

• Strategie de răcire: Emulsie convențională (6%), Azot lichid pulsator criogenic (LN2)

• Strategie traiectorie sculă: Trasee paralele convenționale, Frezare trohoidală adaptivă.
  Variabilele dependente măsurate au fost uzura flancului (VBmax), rugozitatea suprafeței (Ra, Rz), energia specifică de tăiere (SCE), timpul de prelucrare pe caracteristică și abaterea dimensională pe caracteristici critice (grosimea peretelui, poziția orificiului). Înregistrarea datelor s-a realizat direct din sistemul de control CNC (putere, cuplu, timp) și prin metrologie offline. S-au efectuat cel puțin trei replici pentru fiecare condiție.

3 Rezultate și Analiză
3.1 Performanța de Uzură a Sculei
Progresia uzurii flancului a fost semnificativ influențată de strategia de răcire și de viteza de așchiere. Figura 1 ilustrează tendința dominantă: utilizarea răcirii criogene LN2 pulsate a redus drastic uzura sculei în toate vitezele de așchiere testate, comparativ cu emulsia convențională aplicată prin turnare. La viteza medie (60 m/min), valoarea medie VBmax, după prelucrarea unui volum standardizat de material, s-a redus cu 42% prin utilizarea răcirii criogene. Vitezele mari de așchiere (80 m/min) în condiții de răcire abundentă au dus la cedarea catastrofală a sculei (ciupire) într-un timp scurt, în timp ce răcirea criogenă a permis prelucrarea continuă, deși cu o uzură accelerată comparativ cu vitezele mai joase. Analiza semnalelor de putere ale arborelui principal s-a corelat puternic cu măsurătorile offline ale VBmax, confirmând eficacitatea sistemului TCM pentru predicia uzurii (R² = 0,91).

3.2 Calitatea Suprafeței și Precizia Geometrică
Rugozitatea suprafeței (Ra) a fost în principal influențată de avans și strategia de traiectorie la finisare. Reducerea avansului pe dinte (fz) de la 0,08 mm/dinte la 0,05 mm/dinte a îmbunătățit în medie Ra cu aproximativ 25%. În mod esențial, implementarea frezării trohoidale adaptive pentru finisarea pereților subțiri (ap = 8 mm, grosimea peretelui 1,5 mm) a dus la o îmbunătățire cu 15% în Ra (în medie 0,32 µm față de 0,38 µm cu traiectorii paralele) și a redus distorsiunile piesei cu 30%, măsurate prin abaterea CMM față de grosimea nominală a peretelui (Figura 2). Această strategie a redus și timpul de prelucrare pentru aceste elemente cu 18%, menținând rate mai mari ale îndepărtării materialului datorită controlului constant al angajării sculei.

3.3 Productivitate și consum de energie
Energia specifică de așchiere (SCE), un indicator cheie al eficienței procesului, a scăzut odată cu creșterea ratei de îndepărtare a materialului (MRR), așa cum era de așteptat. Cu toate acestea, utilizarea răcirii criogene a rezultat într-o valoare SCE cu 10-15% mai mare comparativ cu răcirea abundentă, la o valoare MRR egală, datorită costului energetic al livrării LN2. În ciuda acestui fapt, prelungirea semnificativă a duratei de viață a sculei și reducerea timpului de neașchiere (schimburi de sculă, ajustări) au dus la o creștere netă a productivității de aproximativ 20% per piesă pentru piese structurale complexe, compensând astfel penalizarea SCE.

4 Discuții
Reducerea dramatică observată a uzurii sculei prin utilizarea răcirii criogene pulsate cu LN2 se aliniază mecanismelor stabilite: LN2 suprimă eficient temperaturile ridicate din zona de așchiere specifice prelucrării titanului, reducând astfel mecanismele de uzură prin difuziune și aderență caracteristice utilizării sculelor din carburi [4, 5]. Livrarea pulsată probabil favorizează o mai bună pătrundere în interfacele sculă-așchie, în timp ce minimizează consumul neeficient. Succesul frezării trohoidale adaptive, în special pentru pereții subțiri, provine din menținerea unei angajări radiale aproape constante și a forțelor de așchiere reduse, minimizând astfel deviația sculei și vibrația piesei [6]. Aceasta se traduce direct prin creșterea preciziei geometrice și a calității suprafeței.

O limită importantă a acestui studiu o reprezintă concentrarea asupra aliajului Ti-6Al-4V. Deși este dominant, alte aliaje de titan (de exemplu, Ti-5553, aliaje aproape beta) prezintă caracteristici de prelucrabilitate diferite; rezultatele obținute necesită validare pentru aceste materiale. În plus, adoptarea pe scară largă a utilizării azotului lichid criogenic necesită o evaluare atentă a ciclului de viață, echilibrând economiile legate de scule și beneficiile privind productivitatea cu costurile și amprenta de carbon asociate cu producția și livrarea azotului lichid.

Pentru practica de producție din industria aerospațială, aceste rezultate susțin în mod clar:

1. Implementarea Prelucrării Criogenice Pulsate: Pentru operațiuni critice de frezare a titanului de durată mare, în special degroșare și semifinisare, pentru a maximiza durata sculelor și fiabilitatea procesului.

2. Adoptarea Traiectoriilor Adaptative de Sculă: În special strategii trohoidale pentru finisarea structurilor aeronautice cu pereți subțiri, pentru a îmbunătăți integritatea suprafeței, precizia dimensională și productivitatea.

3. Integrarea Monitorizării Stării Sculei: Utilizarea semnalelor de putere ale arborelui principal oferă o metodă practică, integrată în mașină, pentru previziunea uzurii sculei și programarea proactivă a schimbărilor, reducând riscul de rebut.

5 Concluzie
Această cercetare demonstrează strategii eficiente pentru îmbunătățirea prelucrării prin strunjire cu comandă numerică (CNC) a aliajului Ti-6Al-4V pentru aplicații structurale aeronautice solicitante. Răcirea cu azot lichid criogenic pulsatoriu reduce semnificativ uzura rapidă a sculei, un factor limitant principal, permițând utilizarea unor viteze de așchiere mai mari și o durată de viață mai mare a sculelor. Traseele de frezare trohoidale adaptive îmbunătățesc calitatea suprafeței, precizia dimensională (în special pentru pereții subțiri) și productivitatea generală, comparativ cu traseele paralele convenționale. Corelația dintre monitorizarea puterii arborelui principal și uzura sculei oferă o metodă viabilă de control în timpul procesului. Aceste rezultate oferă soluții aplicabile direct producătorilor din industria aerospațială care doresc să îmbunătățească eficiența, fiabilitatea și calitatea producției componentelor din titan. Studiile viitoare ar trebui să investigheze optimizarea parametrilor de livrare criogeni (designul duzelor, temporizarea pulsului), să extindă metodologia și la alte aliaje performante de titan și să realizeze analize tehnico-economice și privind impactul asupra mediului a implementării prelucrării criogene.