Титанова ЦНЦ обрада за ваздухопловне конструкције

Титанове легуре представљају значајне изазове за ЦНЦ обраду у ваздухопловним структурним апликацијама због својствених својстава као што су ниска топлотна проводност и висока хемијска реактивност. Овај рад детаљно описује структурирану методологију за оптимизацију ЦНЦ обраде Ти-6АЛ-4В, фокусирајући се на ублажавање зноја алата и постизање строгих геометријских толеранција. У обилодавачким испитивањима користе се вишеосни ЦНЦ центри опремљени напредним системима за праћење стања алата (ТЦМ). Параметри сечења (брзина, подај, дубина сечења) и стратегије пута алата су систематски варирали. Резултати показују да је имплементација импулсног криогенског хлађења смањила просечну зношење бокова за 42% у поређењу са конвенционалним хладником за поплаву, док су адаптивне стратегије трохоидалне фрезирања смањиле време обраде за 18% и побољшале грубост површине (Ра Анализа података потврђује јаку корелацију између специфичне енергије сечења и прогресивног зноја алата. Ови налази пружају практичне стратегије за побољшање ефикасности обраде и квалитета делова за критичне ваздухопловне конструкције. Ограничења укључују фокус на Ти-6Ал-4В; примене на друге титанијумске категорије захтевају даље валидацију.

1
Непоколебљива потрага за перформансима и ефикасношћу горива у модерном ваздухопловном дизајну захтева широку употребу титанијумских легура, првенствено Ти-6Ал-4В. Њихов изузетни однос чврстоће према тежини и отпорност на корозију чине их идеалним за критичне структурне компоненте као што су полетни кочији, монтаже мотора и секције авиона [1]. Међутим, ова иста својства посебно ниска топлотна проводност, висока чврстоћа на високим температурама и јака хемијска афинитет за материјале алата чине титан веома тешко за ефикасно и прецизно обраду [2]. Проблем се појављује као брзо зношење алата, лош интегритет површине, потенцијално искривљење радног комада (посебно у танким просекцијама) и високи трошкови производње [3]. Следећи, оптимизација ЦНЦ процеса обраде за титанијумске ваздухопловне конструкције остаје критичан индустријски циљ. Овај рад представља практичну методологију и експерименталне резултате усмерене на превазилажење ових изазова кроз оптимизацију параметара и иновативне стратегије хлађења, чији је циљ успостављање поузданих, трошковно ефикасних производних протокола.

2 Методе
2.1 Експериментални дизајн и материјал за делове
Испитивани основни материјал је био загрејено Ти-6Ал-4В (класа 5) плоча, која је у складу са спецификацијама АМС 4911Л. Примарне обраде које су проучаване биле су периферно фрезирање (грубо и завршно) и џепкање, које су репрезентативне за заједничке конструктивне карактеристике ваздухопловства. Радни делови су били сигурно фиксирани користећи прилагођене вакуумске чекове и стратешко механичко запљачивање како би се минимизирале вибрације и одвијање, посебно критично за геометрију танких зидова.

2.2 Машинска опрема и алати
Експерименти су спроведени на 5-основом ДМГ Мори ДМУ 80 еВО линеарном ЦНЦ обрадачком центру (40 КВт вртач, максимум 18 000 об / мин). Укључују се резачки алати:

• Грубо: "Слични" увод је у систему за регенерирање и регенерирање у којој се користи "улазни" увод.

• Навршће: Утврђени карбидни завршни фрејдери (Ø8мм и Ø6мм, 4-флута, обложени АлтиН-ом).
  Стање алата (изобијање на боци VBmax) је праћено током процеса користећи комбинацију анализе потрошње енергије вртача (интегрирано праћење Сименса Синумерик 840Д) и периодично мерење офлајн путем Киенце ВХХ-7000 дигиталног микроскопа. Огроблост површине (Ra, Rz) измерена је профилометром Mitutoyo Surftest SJ-410. Димензионална тачност је верификована са Зиз Контура Г2 координатни мерењач (ЦММ).

2.3 Процесне променљиве и стицање података
Кључне независне променљиве које су систематски тестиране укључивале су:

• Брзина сечења (Вц): 40 м/мин - 80 м/мин

• Храна по зубу (фз): 0,04 mm/зуб - 0,12 mm/зуб

• Осијска дубина сечења (ап): 0,5 mm - 3,0 mm (навршене), 5 mm - 15 mm (грубост)

• Радијална дубина сечења (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (адаптивне стратегије)

• Стратегија хлађења: конвенционална емулзија за поплаву (6%), импулсирани криогени течни азот (ЛН2)

• Стратегија алата: конвенционални паралелни путеви, адаптивно трохоидна фрезирање.
  Измерене зависне променљиве су биле зној на страни (ВБмакс), грубост површине (Ра, Рз), специфична енергија сечења (СЦЕ), време обраде по карактеристикама и димензионално одступање на критичне карактеристике (дебљина зида, положај рупе). Документи су се снимали директно из ЦНЦ система за контролу (моћ, обртни момент, време) и преко офлајн метрологије. Извршено је најмање три репликације по стању.

3 Резултати и анализа
3.1 Перформансе на ношење алата
На прогресију на корак је значајно утицала стратегија хлађења и брзина сечења. Слика 1 илуструје доминантни тренд: коришћење импулсног криогенског лађења ЛН2 драстично је смањило зношење алата на свим испитаним брзинама сечења у поређењу са конвенционалном емулзијом за поплаву. На средњој брзини (60 м/мин), просечна ВБмакс након обраде стандардизованог запремине материјала смањена је за 42% користећи криогенско хлађење. Високе брзине сечења (80 м/мин) под хлађењем поплавом довеле су до катастрофалног неуспеха алата (чипинг) у кратком периоду, док је криогенско хлађење омогућило трајну обраду, мада са убрзаним хабањем у поређењу са нижим брзинама. Анализа сигнала снаге вртача је снажно корелирала са мерењима ВБмакса офлајн, потврђујући ефикасност ТЦМ система за предвиђање зноја (Р2 = 0, 91).

3.2 Квалитет површине и геометријска тачност
На површинску грубоћу (Ra) углавном су утицали брзина нахрана и стратегија пута алата у операцијама завршног обраде. Уколико се коша за храну по зубу (фз) смањи са 0,08 на 0,05 мм/зуб, просечна Ra је побољшана за око 25%. Од суштинског значаја је да је имплементација адаптивног трохоидалног фрезирања за завршну обработу танких зидова (ап = 8 мм, дебљина зида 1,5 мм) дала 15% побољшање у Ра (просечно 0,32 мкм против 0,38 мкм са паралелним путевима) и Ова стратегија је такође смањила време обраде за ове карактеристике за 18% одржавањем веће просечне стопе уклањања материјала кроз константну контролу ангажовања алата.

3.3 Производност и потрошња енергије
Специфична енергија сечења (СЦЕ), кључни показатељ ефикасности процеса, смањила се са повећањем стопе уклањања материјала (МРР), као што је очекивано. Међутим, употреба криогенског хлађења резултирала је 10-15% већим СЕ у поређењу са хлађењем поплавом на еквивалентном МРР-у, због трошкова енергије за испоруку ЛН2. Упркос томе, значајно продужење живота алата и смањење времена несечења (промене алата, прилагођавања) довело је до повећања нето продуктивности за око 20% по радном комаду за сложене конструктивне делове, што је надокнадило казну за СЦЕ.

4 Дискусија
Надзорно драматично смањење зноја алата помоћу импулсног криогенског хлађења ЛН2 усклађено је са установљеним механизмима: ЛН2 ефикасно сузбија високе температуре зоне сечења које су присутне за обраду титана, чиме се смањују дифузијски и ад Импулсна испорука вероватно повећава проникљење у интерфејс алата-чипа док минимизира потрошњу. Успех адаптивног трохоидалног фрезирања, посебно за танке зидове, произилази из одржавања скоро константног радијалног ангажовања и смањења сила резања, минимизирања одвијања алата и вибрације радног комада [6]. То се директно преводи у побољшану геометријску тачност и завршну површину.

Кључно ограничење ове студије је фокус на Ти-6АЛ-4В. Иако су доминантне, друге титанијске легуре (нпр. Ти-5553, легуре које су близу бета) показују различите карактеристике обраде; налази овде захтевају валидацију за те материјале. Осим тога, економске и еколошке последице широког прихвата криогенског ЛН2 треба пажљиво проценити животни циклус, уравнотежити уштеду алата и повећање продуктивности са трошковима производње и испоруке ЛН2 / угљенским отиском.

За праксу производње ваздухопловства, ови резултати снажно подржавају:

1. Увеђење импулсне криогене обраде: За критичне, дуготрајне операције фрезирања титана, посебно грубоће и полуфрезирање, како би се максимизовао живот алата и поузданост процеса.

2. Прихватање адаптивних алата: Посебно трохоидне стратегије за завршну конструкцију ваздухопловних објеката са танким зидовима како би се побољшао интегритет површине, прецизност димензија и проток.

3. Интегрирање праћења стања алата: Употреба сигнала снаге врта пружа практичну, интегрисану у машину методу за предвиђање знојања алата и проактивно планирање промена, смањујући ризик од остатка.

5 Закључак
Ова студија показује ефикасне стратегије за побољшање ЦНЦ обраде Ти-6АЛ-4В-а за захтевне ваздухопловне структурне апликације. Импулсно криогенско хлађење течним азотом значајно смањује брзо зношење алата, основно ограничење, омогућавајући веће одрживе брзине сечења и продужен живот алата. Адаптивни трохоидни путеви фрезења побољшавају завршну површину, прецизност димензија (посебно за танке зидове) и укупну продуктивност у поређењу са конвенционалним паралелним путевима. Корелација између праћења снаге врта и зноја алата нуди одржив метод контроле током процеса. Ови налази пружају директно примењива решења за произвођаче авиона и ваздухопловства који желе да побољшају ефикасност, поузданост и квалитет производње титанијумских компоненти. Будући рад треба да истражи оптимизацију криогенских параметара испоруке (дизајн млазнице, пулсно време), прошири методологију на друге високоперформансне титањске легуре и спроведе свеобухватне техноекономске и еколошке анализе утицаја имплементације кри