Титановая обработка с ЧПУ для аэрокосмических конструкций

Титановые сплавы создают значительные трудности для фрезерной обработки с ЧПУ в конструкциях авиационно-космической отрасли из-за своих физических свойств, таких как низкая теплопроводность и высокая химическая активность. В этой работе описывается структурированная методология оптимизации фрезерной обработки Ti-6Al-4V с акцентом на снижение износа инструментов и достижение строгих геометрических допусков. Испытания по обработке проводились на многокоординатных станках с ЧПУ, оснащенных современными системами мониторинга состояния инструмента (TCM). Параметры резания (скорость, подача, глубина резания) и стратегии движения инструмента варьировались систематически. Результаты показали, что применение импульсного криогенного охлаждения снизило средний износ по задней поверхности на 42% по сравнению с традиционным охлаждением под давлением, в то время как адаптивные стратегии фрезерования по траектории уменьшили время обработки на 18% и улучшили шероховатость поверхности (Ra) на 15% для тонкостенных деталей. Анализ данных подтвердил сильную корреляцию между удельной энергией резания и прогрессирующим износом инструмента. Эти результаты предоставляют практические стратегии повышения эффективности обработки и качества деталей для критически важных авиационно-космических конструкций. Ограничения включают фокусировку только на Ti-6Al-4V; применимость к другим маркам титана требует дальнейшей проверки.

1
Неустанная борьба за высокую эффективность и топливную экономичность в современном авиастроении требует широкого использования титановых сплавов, в первую очередь Ti-6Al-4V. Их исключительное соотношение прочности и массы, а также устойчивость к коррозии делают их идеальными для изготовления критически важных конструктивных элементов, таких как шасси, крепления двигателей и секции фюзеляжа [1]. Однако, именно эти свойства — в частности, низкая теплопроводность, высокая прочность при повышенных температурах и сильное химическое сродство к материалам инструмента — делают титан крайне сложным для эффективной и точной механической обработки [2]. Проблемы проявляются в быстром износе инструмента, плохом качестве обработанной поверхности, возможной деформации заготовки (особенно в тонких сечениях), а также в увеличении производственных затрат [3]. Следовательно, оптимизация процессов фрезерной обработки титановых авиационных конструкций остается важной производственной задачей. В данной работе представлены практическая методология и экспериментальные результаты, направленные на преодоление этих трудностей посредством оптимизации параметров обработки и применения инновационных методов охлаждения с целью разработки надежных и экономически эффективных производственных протоколов.

2 Методы
2.1 Проектирование эксперимента и материал заготовки
Основным исследуемым материалом была отожженная пластина Ti-6Al-4V (марка 5), соответствующая спецификации AMS 4911L. Основными исследуемыми операциями механической обработки были фрезерование по периметру (черновое и чистовое) и выборка карманов, характерные для типичных аэрокосмических конструкционных элементов. Заготовки надежно крепились с использованием индивидуальных вакуумных патронов и стратегического механического зажима для минимизации вибрации и прогиба, особенно важного для тонкостенных геометрий.

2.2 Оборудование для механической обработки и режущий инструмент
Эксперименты проводились на 5-осевом станке с ЧПУ DMG MORI DMU 80 eVo linear (мощность шпинделя 40 кВт, максимальная скорость вращения 18 000 об/мин). Режущие инструменты включали:

• Грубая обработка: Монолитные твердосплавные торцевые фрезы (Ø10 мм, 4-заходовые, покрытие ZrN) с переменным углом наклона/шагом.

• Отделка: Монолитные твердосплавные торцевые фрезы (Ø8 мм и Ø6 мм, 4-заходовые, покрытие AlTiN).
  Состояние инструмента (износ по задней поверхности VBmax) контролировалось в процессе с помощью анализа потребления мощности шпинделя (встроенный мониторинг Siemens Sinumerik 840D sl) и периодических внепроцессных измерений с использованием цифрового микроскопа Keyence VHX-7000. Шероховатость поверхности (Ra, Rz) измерялась с помощью профилометра Mitutoyo Surftest SJ-410. Размерная точность проверялась с использованием координатно-измерительной машины Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Переменные процесса и сбор данных
Основные независимые переменные, протестированные систематически, включали:

• Скорость резания (Vc): 40 м/мин - 80 м/мин

• Подача на зуб (fz): 0,04 мм/зуб - 0,12 мм/зуб

• Осевая глубина резания (ap): 0,5 мм - 3,0 мм (чистовая обработка), 5 мм - 15 мм (черновая обработка)

• Радиальная глубина резания (ae): 0,5 мм - 6,0 мм (адаптивные стратегии)

• Система охлаждения: традиционная эмульсия (6%), импульсное криогенное жидкое азотное охлаждение (LN2)

• Стратегия движения инструмента: традиционные параллельные траектории, адаптивное трохоидальное фрезерование.
  Измеряемыми зависимыми переменными были износ по задней поверхности (VBmax), шероховатость поверхности (Ra, Rz), удельная энергоемкость резания (SCE), время обработки на операцию и отклонение размеров критических элементов (толщина стенки, позиция отверстия). Сбор данных осуществлялся непосредственно с системы ЧПУ (мощность, крутящий момент, время) и с помощью вне линейных измерений. Для каждого режима проводилось не менее трех повторов.

3 Результаты и анализ
3.1 Износ инструмента
Износ инструмента по задней поверхности существенно зависел от стратегии охлаждения и скорости резания. На рисунке 1 показана доминирующая тенденция: применение импульсного криогенного охлаждения азотом (LN2) значительно снизило износ инструмента на всех протестированных скоростях резания по сравнению с традиционным охлаждением эмульсией. При средней скорости (60 м/мин) среднее значение VBmax после обработки стандартизированного объема материала сократилось на 42% при использовании криогенного охлаждения. Высокие скорости резания (80 м/мин) при охлаждении эмульсией привели к катастрофическому выходу инструмента из строя (выкрашивание) в течение короткого времени, в то время как криогенное охлаждение позволило продолжать обработку, хотя и с более высокой интенсивностью износа по сравнению с более низкими скоростями. Анализ сигналов мощности шпинделя тесно коррелировал с вне линии измерениями VBmax, что подтверждает эффективность системы мониторинга износа для прогнозирования (R² = 0,91).

3.2 Качество поверхности и геометрическая точность
Шероховатость поверхности (Ra) в основном зависела от подачи и стратегии инструментального пути при отделочных операциях. Снижение подачи на зуб (fz) с 0,08 мм/зуб до 0,05 мм/зуб улучшило среднее значение Ra примерно на 25%. Важно, что применение адаптивной трохоидальной фрезеровки для обработки тонких стенок (ap = 8 мм, толщина стенки 1,5 мм) позволило улучшить значение Ra на 15% (среднее значение 0,32 мкм против 0,38 мкм при параллельных проходах) и снизило деформацию детали на 30%, что измерялось с помощью отклонения КПМ от номинальной толщины стенки (рисунок 2). Эта стратегия также сократила время обработки этих элементов на 18% за счет поддержания более высокой средней скорости удаления материала благодаря постоянному контролю вовлечения инструмента.

3.3 Производительность и потребление энергии
Удельная энергоемкость резания (SCE), важный показатель эффективности процесса, уменьшалась с увеличением скорости удаления материала (MRR), как и ожидалось. Однако применение криогенного охлаждения привело к увеличению SCE на 10–15% по сравнению с охлаждением потоком СОЖ при одинаковых значениях MRR, что связано с энергетическими затратами на подачу LN2. Несмотря на это, значительное увеличение срока службы инструмента и сокращение времени на вспомогательные операции (смена инструмента, регулировка) обеспечило рост общей производительности примерно на 20% на одно изделие при обработке сложных конструктивных деталей, что компенсировало рост SCE.

4 Обсуждение
Отмеченное резкое снижение износа инструмента при использовании импульсного криогенного охлаждения LN2 соответствует установленным механизмам: LN2 эффективно подавляет высокие температуры в зоне резания, присущие обработке титана, тем самым уменьшая износ инструментов из твердого сплава, обусловленный диффузионными и адгезионными механизмами [4, 5]. Импульсная подача, вероятно, усиливает проникновение в зону контакта инструмента со стружкой, одновременно минимизируя нецелевое потребление. Успех адаптивного трохоидального фрезерования, особенно для тонких стенок, обусловлен сохранением почти постоянного радиального зацепления и уменьшением сил резания, что снижает отклонение инструмента и вибрацию заготовки [6]. Это напрямую приводит к улучшению геометрической точности и качества обработанной поверхности.

Важным ограничением данного исследования является его фокус на сплаве Ti-6Al-4V. Хотя он является доминирующим, другие титановые сплавы (например, Ti-5553, близкие к бета-сплавам) демонстрируют различные характеристики обрабатываемости; полученные результаты требуют проверки для этих материалов. Кроме того, экономические и экологические последствия широкого применения криогенного азота (LN2) требуют тщательной оценки жизненного цикла, сбалансированной между сокращением затрат на оснастку и повышением производительности с одной стороны, и стоимостью производства и доставки LN2, а также углеродным следом — с другой.

Для практики авиационного производства эти результаты настоятельно рекомендуют:

1. Внедрение импульсной криогенной обработки: Для критически важных и длительных операций фрезерования титана, особенно черновой и получистовой обработки, с целью максимизации срока службы инструмента и надежности процесса.

2. Внедрение адаптивных траекторий инструмента: Особенно трохоидальные стратегии для чистовой обработки тонкостенных авиационных конструкций с целью повышения целостности поверхности, точности размеров и объема выпуска.

3. Интеграция мониторинга состояния инструмента: Использование сигналов мощности шпинделя обеспечивает практичный, встроенный в станок метод прогнозирования износа инструмента и планирования его замены заранее, снижая риск брака.

5 Заключение
Это исследование демонстрирует эффективные стратегии повышения эффективности фрезерования с ЧПУ сплава Ti-6Al-4V для требовательных аэрокосмических конструкционных применений. Импульсное криогенное охлаждение жидким азотом значительно снижает быстрый износ инструмента, являющийся основным ограничением, что позволяет использовать более высокие устойчивые скорости резания и продлить срок службы инструмента. Адаптивные траектории фрезерования по трохоидальной схеме улучшают качество обработанной поверхности, размерную точность (особенно для тонкостенных элементов) и общую производительность по сравнению с традиционными параллельными траекториями. Установленная корреляция между мониторингом мощности шпинделя и износом инструмента предлагает жизнеспособный метод внутреннего контроля процесса. Эти результаты предоставляют непосредственно применимые решения для аэрокосмических производителей, стремящихся повысить эффективность, надежность и качество производства титановых компонентов. В дальнейших исследованиях следует рассмотреть оптимизацию параметров подачи криогенного охлаждения (конструкция сопла, временные параметры импульсов), расширить методику на другие высокопрочные титановые сплавы, а также провести всесторонний технико-экономический и экологический анализ внедрения криогенной обработки.