Titaniové frézovanie CNC pre letecké konštrukcie

Titaniové zliatiny predstavujú významnú výzvu pre CNC obrábanie v konštrukčných aplikáciách v leteckom priemysle vďaka vlastným vlastnostiam, ako je nízka tepelná vodivosť a vysoká chemická reaktivita. Táto práca popisuje štrukturovanú metodiku optimalizácie CNC obrábania Ti-6Al-4V, s dôrazom na zmiernenie opotrebenia nástroja a dosiahnutie prísnych geometrických tolerancií. Skúšobné obrábanie využívalo viacosi CNC centrá vybavené pokročilými systémami na monitorovanie stavu nástroja (TCM). Rezné parametre (otáčky, posuv, hĺbka rezania) a stratégie nástrojových dráh boli systematicky menené. Výsledky ukazujú, že použitie pulznej kryogenickej chladiacej sústavy znížila priemerné bočné opotrebenie o 42 % v porovnaní s konvenčným chladiacim prostriedkom, zatiaľ čo adaptívne trochoidné frézovacie stratégie skrátili čas obrábania o 18 % a zlepšili drsnosť povrchu (Ra) o 15 % pre tenkostenné súčiastky. Analýza údajov potvrdzuje silnú koreláciu medzi špecifickou rezacou energiou a progresívnym opotrebením nástroja. Tieto zistenia poskytujú uplatniteľné stratégie na zvýšenie efektivity obrábania a kvality súčiastok pre kritické letecké konštrukcie. Medzi obmedzenia patrí zameranie sa na Ti-6Al-4V; použiteľnosť na iné značky titánu vyžaduje ďalšie overenie.

1
Neúprosný zápas o výkon a palivovú účinnosť v modernej konštrukcii lietadiel si vyžaduje rozsiahle využitie zliatin titánu, najmä Ti-6Al-4V. Ich vynikajúci pomer pevnosti k hmotnosti a odolnosť proti korózii z nich robia ideálny materiál pre kritické konštrukčné komponenty, ako sú podvozky, upevnenia motora a časti trupu [1]. Avšak práve tieto vlastnosti – najmä nízka tepelná vodivosť, vysoká pevnosť pri vyšších teplotách a silná chemická afinita k nástrojovým materiálom – spôsobujú, že titán je známy tým, že sa veľmi ťažko opracováva efektívne a presne [2]. Výsledné výzvy sa prejavujú ako rýchle opotrebovanie nástrojov, nízka kvalita povrchu, možné deformácie obrobku (najmä v tenkých častiach) a vyššie výrobné náklady [3]. Preto ostáva optimalizácia CNC obrábacích procesov pre titánové lietadlové konštrukcie kľúčovým cieľom priemyslu. Táto práca predkladá praktickú metodiku a experimentálne výsledky zamerané na riešenie týchto výziev prostredníctvom optimalizácie parametrov a inovatívnych stratégií chladenia s cieľom vypracovať spoľahlivé a nákladovo efektívne výrobné postupy.

2 Metódy
2.1 Návrh experimentu a materiál súčiastky
Základným skúmaným materiálom bol žíhaná doska Ti-6Al-4V (Grade 5), ktorá spĺňa špecifikácie AMS 4911L. Hlavné obrábacie operácie, ktoré boli predmetom štúdia, boli frézovanie po obvode (hrubovanie a dokončovanie) a výbrus, čo sú typické operácie pri výrobe leteckých konštrukcií. Súčiastky boli pevne upnuté pomocou vlastných vákuových upínacích prípravkov a strategického mechanického upnutia, aby sa minimalizovalo chvenie a ohyb, čo je obzvlášť dôležité pri tenkostenných geometriách.

2.2 Obrábacie zariadenie a nástroje
Experimenty boli vykonávané na 5-osiach CNC obrábacích centrách DMG MORI DMU 80 eVo (40 kW vreteno, max. 18 000 ot./min). Obrábacie nástroje zahŕňali:

• Hrubé obrábanie: Monolitické karbidové frézy (Ø10 mm, 4-boké, povlak ZrN) s premenlivým výškovým uhlom/rozstupom.

• Dokončenie: Monolitické karbidové frézy (Ø8 mm a Ø6 mm, 4-boké, povlak AlTiN).
  Stav nástroja (opotrebenie bokov VBmax) bol sledovaný priamo počas procesu pomocou kombinácie analýzy príkonu vretena (SINUMERIK 840D sl integrované monitorovanie od spoločnosti Siemens) a periodických offline meraní pomocou digitálneho mikroskopu KEYENCE VHX-7000. Drsnosť povrchu (Ra, Rz) bola meraná pomocou profilometra Mitutoyo Surftest SJ-410. Presnosť rozmerov bola overená pomocou konturového meracieho stroja Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Procesné premenné a získavanie údajov
Kľúčové nezávislé premenné, ktoré boli systematicky testované, zahŕňali:

• Rezná rýchlosť (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Posun na zub (fz): 0,04 mm/zub - 0,12 mm/zub

• Osová hĺbka rezu (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (dokončovanie), 5 mm - 15 mm (hrubovanie)

• Radiálna hĺbka rezu (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptívne stratégie)

• Stratégia chladenia: Konvenčné emulzné chladenie (6 %), Impulzné kryogénne kvapalné dusík (LN2)

• Stratégia nástrojovej dráhy: Konvenčné paralelné dráhy, Adaptívne trochoídne frézovanie.
  Merané závislé premenné boli opotrebenie boku (VBmax), drsnosť povrchu (Ra, Rz), špecifická rezná energia (SCE), čas obrábania na jednotlivé prvky a odchýlka rozmerov na kritických prvkoch (hrúbka steny, pozícia otvoru). Záznam údajov prebiehal priamo z CNC riadiaceho systému (výkon, krútiaci moment, čas) a prostredníctvom offline metrológie. Pre každé podmienky boli vykonané minimálne tri replikácie.

3 Výsledky a analýza
3.1 Výkon nástroja pri opotrebení
Postup opotrebenia bokov bol výrazne ovplyvnený stratégiou chladenia a reznou rýchlosťou. Obrázok 1 ilustruje dominantný trend: použitie pulzovaného kryogénneho chladenia LN2 výrazne znížilo opotrebenie nástroja pri všetkých testovaných rezacích rýchlostiach v porovnaní s konvenčným emulzným chladením. Pri strednej rýchlosti (60 m/min) sa priemerná hodnota VBmax po spracovaní štandardizovaného objemu materiálu znížila o 42 % pri použití kryogénneho chladenia. Vysoké rezné rýchlosti (80 m/min) pri chladení prúdom viedli k havárii nástroja (olupovanie) počas krátkej doby, zatiaľ čo kryogénne chladenie umožnilo pokračovať v obrábaní, aj keď s vyššou mierou opotrebenia v porovnaní s nižšími rýchlosťami. Analýza signálov výkonu vretena korelovala silne s offline meraniami VBmax, čo potvrdilo účinnosť TCM systému na predpoveď opotrebenia (R² = 0,91).

3.2 Kvalita povrchu a geometrická presnosť
Drsnosť povrchu (Ra) bola v prvom rade ovplyvnená posuvom a stratégiou dráhy nástroja pri dokončovacích operáciách. Zníženie posuvu na zub (fz) z 0,08 mm/zub na 0,05 mm/zub zlepšilo priemernú hodnotu Ra približne o 25 %. Zásadným spôsobom implementácia adaptívneho trochoídneho frézovania pri dokončovaní tenkostenných konštrukcií (ap = 8 mm, hrúbka steny 1,5 mm) dosiahla zlepšenie Ra o 15 % (priemerne 0,32 µm oproti 0,38 µm pri paralelných dráhach) a znížila deformáciu súčiastky o 30 %, čo bolo merané odchýlkou CMM od nominálnej hrúbky steny (obr. 2). Táto stratégia tiež znížila strojnícky čas na týchto prvkoch o 18 %, keďže sa udržiavali vyššie priemerné hodnoty odstraňovania materiálu vďaka kontrole stálej úprave nástroja.

3.3 Produktivita a spotreba energie
Merná rezná energia (SCE), kľúčový ukazovateľ efektívnosti procesu, klesala so zvyšujúcou sa rýchlosťou odstraňovania materiálu (MRR), ako sa očakávalo. Avšak použitie kryogénneho chladenia spôsobilo o 10-15 % vyššiu SCE v porovnaní s záplavovým chladením pri rovnakej MRR, čo sa pripisuje energetickej náročnosti dodávky LN2. Napriek tomu výrazné predĺženie trvanlivosti nástroja a zníženie neproduktívneho času (výmena nástrojov, úpravy) viedlo k celkovému nárastu produktivity približne o 20 % na jedno hotové súčiasto pre zložité konštrukčné diely, čím sa kompenzovalo zvýšenie SCE.

4 Diskusia
Pozorované výrazné zníženie opotrebenia nástroja pri použití pulznej kryogénnej chladenej LN2 súhlasí s uznávanými mechanizmami: LN2 efektívne potláča vysoké teploty v rezných zónach vznikajúce pri spracovaní titánu, čím sa znižujú mechanizmy opotrebenia difúziou a adhéziou, ktoré sú typické pri použití karbidových nástrojov [4, 5]. Pulzné dávkovanie pravdepodobne zlepšuje prenikanie do rozhrania nástroj-čip, pričom minimalizuje neefektívnu spotrebu. Úspech adaptívneho trochoídneho frézovania, najmä pre tenké steny, vyplýva z udržiavania takmer konštantného radiálneho zapadania a znížených rezacích síl, čím sa minimalizuje odklon nástroja a vibrácie obrobku [6]. To sa priamo prejavuje na zlepšenej geometrickej presnosti a kvalite povrchu.

Kľúčovým obmedzením tejto štúdie je jej zameranie na Ti-6Al-4V. Hoci tento zliatina dominuje, iné titánové zliatiny (napr. Ti-5553, zliatiny blízke beta fáze) vykazujú odlišné vlastnosti obrábania; výsledky uvedené tu vyžadujú overenie aj pre tieto materiály. Okrem toho je potrebné dôkladné posúdenie životného cyklu pri ekonomických a environmentálnych dôsledkoch širokého uplatnenia kryogénneho LN2, ktoré by mali zvážiť úspory na nástrojoch a zvýšenie produktivity v porovnaní s nákladmi/uhlíkovou stopou spojenou s výrobou a dopravou LN2.

Pre prax výroby v leteckom priemysle výsledky výrazne podporujú:

1. Zavádzanie impulzného kryogénneho obrábania: Pre kritické a dlhodobé operácie frézovania titánu, najmä pre hrubovanie a polodokončovanie, za účelom maximalizácie životnosti nástrojov a spoľahlivosti procesu.

2. Použitie adaptívnych dráh nástroja: Obzvlášť strategií trochoidného frézovania pre dokončovanie tenkostenných konštrukcií v leteckom priemysle, za účelom zlepšenia integrity povrchu, geometrickej presnosti a výkonu výroby.

3. Integrovanie monitorovania stavu nástroja: Využitie signálov výkonu vretena poskytuje praktickú, do stroja integrovanú metódu na predpovedanie opotrebenia nástrojov a aktívne plánovanie výmen, čím sa zníži riziko odpadu.

5 Záver
Táto štúdia prezentuje efektívne stratégie na zlepšenie CNC obrábania Ti-6Al-4V pre náročné konštrukčné aplikácie v leteckom priemysle. Pulzné kryogénne chladenie kvapalným dusíkom výrazne znižuje rýchly opotrebuvanie nástroja, čo je hlavný obmedzujúci faktor, a umožňuje tak vyššie udržateľné rezné rýchlosti a predĺženie životnosti nástroja. Adaptívne trochoidné frézovacie dráhy zlepšujú povrchovú úpravu, rozmerovú presnosť (najmä pri tenkostenných častiach) a celkovú produktivitu v porovnaní s konvenčnými paralelnými dráhami. Korelácia medzi monitorovaním výkonu vretena a opotrebením nástroja ponúka vhodnú metódu kontrolu procesu. Tieto zistenia poskytujú priamo použiteľné riešenia pre výrobcov v leteckom priemysle, ktorí si želajú zlepšiť efektívnosť, spoľahlivosť a kvalitu výroby titanových komponentov. V rámci budúcej práce by sa malo preskúmať optimalizovanie parametrov dodávky kryogénu (návrh trysky, časovanie pulzov), rozšíriť metodológiu na ďalšie vysokovýkonné titánové zliatiny a vykonať komplexnú technicko-ekonomickú a environmentálnu analýzu dopadov implementácie kryogénneho obrábania.