Титано обрада путем фрезирања за аеропросторне структуре

Титан легуре представљају значајан изазов за CNC обраду у аерокосмичким структурним применама због инхерентних особина као што су ниска топлотна проводљивост и висока хемијска реактивност. Овај рад детаљно описује структурирану методологију оптимизације CNC обраде Ti-6Al-4V легуре, са фокусом на смањење хабања алата и постизање строгих геометријских толеранција. Пробе обраде су спроведене на вишоосним CNC машинама опремљеним напредним системима за надзор стања алата (TCM). Параметри резања (брзина, похрат, дубина реза) и стратегије кретања алата систематски су вариране. Резултати показују да је примена импулзног криогеног хлађења смањила просечно бочно хабање за 42% у поређењу са конвенционалним наводњавањем хладњаком, док адаптивне трохоидне фрезирајуће стратегије смањују време обраде за 18% и побољшавају храпавост површине (Ra) за 15% код делова са танким зидовима. Анализа података потврђује јаку корелацију између специфичне енергије резања и прогресивног хабања алата. Ови налази пружају корисне стратегије за побољшање ефикасности обраде и квалитета делова код критичних аерокосмичких структура. Ограничења укључују фокус на Ti-6Al-4V легуру; примењивост на друге титан легуре захтева даље верификације.

1
Неуморан напредак у домену перформанси и ефикасности потрошње горива у модерном пројектовању авиона захтева екстензивну употребу легура титанијума, углавном Ti-6Al-4V. Њихов изузетан однос чврстоће и тежине и отпорност према корозији чине их идеалним за критичне структурне компоненте као што су стајни трап, моторни ослонци и делови фуселажа [1]. Међутим, управо те особине – нарочито ниска топлотна проводљивост, висока чврстоћа на елевираним температурама и јака хемијска склоност према материјалима алата – чине титанијум изузетно тешким за прецизну и ефикасну механичку обраду [2]. Изазови се појављују као брзо хабање алата, лоша интеграција површине, могуће изобличење заготовка (посебно код танких делова) и повећани трошкови производње [3]. Стога, оптимизација процеса CNC обраде титанијумских аеропросторних структура остаје кључни индустријски циљ. Ова студија представља практичну методологију и експерименталне резултате који се фокусирају на савладавање ових изазова кроз оптимизацију параметара и иновативне стратегије хлађења, са циљем успостављања поуздане и ефикасне производне методологије.

2 Методе
2.1 Експериментални дизајн и материјал комада
Основни материјал који је испитиван био је жицани Ti-6Al-4V (Grade 5) плоча, у складу са спецификацијама AMS 4911L. Основне машинске операције које су проучаване биле су обрада бочним рубом (груба и завршна обрада) и прављење джепова, карактеристичне за заједничке аерокосмичке структурне елементе. Комади су били сигурно умучени коришћењем посебних вакуумских пљосна и стратешког механичког стезања како би се минимизовала вибрација и прогибање, посебно критично за танко-зидне геометрије.

2.2 Машинска опрема и алати
Експерименти су спроведени на 5-осовинском DMG MORI DMU 80 eVo линеарном CNC машинском центру (40 kW главни вратило, макс. 18.000 о/м). Алати за резање су укључивали:

• Prevare: Цео карбидни фреза (Ø10mm, 4-ивични, покривен са ZrN-ом) са променљивим угаоом/кораком геометрије.

• Završetak: Цео карбидни фреза (Ø8mm & Ø6mm, 4-ивични, покривен AlTiN-ом).
  Станје алата (абразивно хабање VBmax) пратило се током процеса коришћењем комбинације анализе потрошње електричне енергије главног вретена (Siemens Sinumerik 840D sl интегрисано праћење) и периодичних мерења ван процеса помоћу Keyence VHX-7000 дигиталног микроскопа. Храпавост површине (Ra, Rz) мерила се помоћу Mitutoyo Surftest SJ-410 профилометра. Димензионална тачност проверена је помоћу координатног мерног машине Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3. Променљиве процеса и прикупљање података
Кључне независне променљиве које су систематски тестиране су укључивале:

• Брзина резања (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Помак по зубу (fz): 0,04 mm/зуб - 0,12 mm/зуб

• Аксијална дубина реза (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (финисање), 5 mm - 15 mm (грубо обрада)

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

• Систем хлађења: Конвенционални наводњивач са емулзијом (6%), Пулсни криогени течни азот (LN2)

• Стратегија путање алата: Конвенционалне паралелне путање, Адаптивно трохоидно фрезирање.
  Мерене су зависне променљиве: хабање резног угла (VBmax), неравнина површине (Ra, Rz), специфична енергија резања (SCE), време обраде по карактеристици и одступање димензија на критичним карактеристикама (дебљина зида, позиција рупе). Прикупљање података је обављено директно из CNC системa управљања (снага, момент, време) и путем метролошког мерења у offline режиму. За сваки услов је изведено најмање три понављања.

3 Резултати и анализа
3.1 Перформансе хабања алата
Napredak trošenja alata bio je značajno uticaj od strategije hlađenja i brzine rezanja. Slika 1 prikazuje dominantan trend: primena pulsiranog kriogenog hlađenja LN2 drastično je smanjila trošenje alata na svim testiranim brzinama rezanja u poređenju sa konvencionalnim zasićenjem emulzijom. Na srednjoj brzini (60 m/min), prosečna VBmax nakon obrade standardizovanog volumena materijala smanjena je za 42% korišćenjem kriogenog hlađenja. Visoke brzine rezanja (80 m/min) uz hlađenje emulzijom dovele su do katastrofalnog oštećenja alata (lomova) u kratkom vremenu, dok je kriogeno hlađenje omogućilo kontinuiranu obradu, iako sa ubrzanim trošenjem u poređenju sa nižim brzinama. Analiza signala snage vretena jasno se poklapanja sa merenjima VBmax van linije, čime je potvrđena efikasnost sistema za praćenje trošenja alata (R² = 0,91).

3.2 Kvalitet površine i geometrijska tačnost
Hrapavost površine (Ra) u najvećoj meri su uticale brzina posmaka i strategija alatne putanje u operacijama završnog obradjivanja. Smanjenje posmaka po zubu (fz) sa 0,08 mm/zub na 0,05 mm/zub poboljšalo je prosečnu vrednost Ra za otprilike 25%. Bitno je da je primena adaptivnog trohoidalnog glodanja za završno obradjivanje tankih zidova (ap = 8 mm, debljina zida 1,5 mm) dovela do poboljšanja Ra za 15% (prosečno 0,32 µm u odnosu na 0,38 µm kod paralelnih putanja) i smanjila deformaciju komada za 30%, što je mereno odstupanjem na CMM-u od nazivne debljine zida (Slika 2). Ova strategija je takođe smanjila vreme obrade za ove elemente za 18%, održavajući više prosečne brzine uklanjanja materijala kroz kontrolu konstantnog učešća alata.

3.3 Produktivnost i potrošnja energije
Specifična energija rezanja (SCE), ključni pokazatelj efikasnosti procesa, smanjila se sa povećanjem stope uklanjanja materijala (MRR), kao što je i očekivano. Međutim, korišćenje kriogenog hlađenja dovelo je do 10–15% više SCE u poređenju sa poplavnim hlađenjem pri istim MRR vrednostima, što se pripisuje energetskim troškovima isporuke LN2. Uprkos ovome, značajno produženje trajanja alata i smanjenje vremena bez rezanja (zamena alata, podešavanja) dovelo je do neto povećanja produktivnosti od oko 20% po komadu za složene strukturne delove, čime je kompenzovan SCE gubitak.

4 Rasprava
Прислушкивано значајно смањење абразије алата при коришћењу импулсног криогеног леденог НЛ2 хлађења у складу је са прихваћеним механизми: ЛН2 ефикасно сузбија високе температуре у зони реза карактеристичне за обраду титанијума, чиме се смањују механизми абразије дифузије и адхезије који су чести код тврдих алата [4, 5]. Импулсни начин доставе вероватно побољшава продор у интерфејс алата и чипа, минимизирајући непотребну потрошњу. Успех адаптивног трохоидног фрезирања, посебно за танке зидове, произлази из одржавања скоро константног радијалног уласка и смањених сила реза, чиме се минимизира прогиб алата и вибрације радног комада [6]. То директно доводи до побољшане геометријске тачности и квалитета површине.

Ključna ograničenja ove studije su njena fokusiranost na Ti-6Al-4V. Iako dominira, druge titanijum legure (npr. Ti-5553, legure bliske beta fazi) pokazuju različite karakteristike obradivosti; ovdje izneseni nalazi zahtijevaju validaciju za te materijale. Dalje, ekonomski i ekološki uticaji široke primjene kriogenog LN2 zahtijevaju pažljivu analizu životnog ciklusa, uravnotežavajući uštede u alatima i dobitke u produktivnosti naspram troškova proizvodnje i dostave LN2 i emisionog profila.

Za praksu proizvodnje u vazduhoplovnoj industriji, ovi rezultati jasno potvrđuju:

1. Primjenu Pulsne Kriogene Obrade: Za kritične, operacije dugotrajnog glodanja titanijuma, naročito za grubo i polufinalno glodanje, kako bi se maksimalizirao vijek trajanja alata i pouzdanost procesa.

2. Uvođenje Adaptivnih Alatnih Putanja: Posebno trohoidalne strategije za završno obradu tankozidnih vazduhoplovnih struktura, radi poboljšanja integriteta površine, dimenzionalne tačnosti i kapaciteta proizvodnje.

3. Integraciju Praćenja Stanja Alata: Коришћење сигнала снаге шпиндела пружа практичан, машином интегрисан начин за предвиђање хабања алата и предвиђање промена, чиме се смањује ризик од отпада.

5 Zaključak
Ова студија показује ефективне стратегије за побољшање фрезирања помоћу CNC машине за Ti-6Al-4V у захтевним аеропросторним структурним применама. Хлађење течним азотом у импулсном режиму значајно смањује брзо хабање алата, што је примарни проблем, омогућавајући веће одрживе брзине резања и дужи век трајања алата. Адаптивне фрезе са трохоидним путањама побољшавају квалитет површине, димензионалну тачност (посебно код танких зидова) и укупну продуктивност у поређењу са конвенционалним паралелним путањама. Корелација између мониторинга снаге главног вретена и хабања алата нуди изводљив методу контроле у процесу. Ови налази пружају директно примењива решења за произвођаче у авионској индустрији који желе да побољшају ефикасност, поузданост и квалитет производње титанских компонената. Идће рад треба да испита оптимизацију параметара испоруке криогене (дизајн млазнице, тајминг импулса), прошири методологију на друге високоперформансне титанске легуре и спроведе комплексне технолошко-економске и еколошке анализе утицаја примене криогеног машинскења.