Titan-CNC-bearbetning för luftfartsstrukturer

Titanlegeringar medför stora utmaningar för CNC-bearbetning i luftfartsstrukturer på grund av inneboende egenskaper såsom låg värmeledningsförmåga och hög kemisk reaktivitet. Detta arbete beskriver en strukturerad metodik för att optimera CNC-bearbetning av Ti-6Al-4V, med fokus på att minska verktygsnötning och uppnå stränga geometriska toleranser. Bearbetningsförsök utfördes på fleraxliga CNC-maskiner utrustade med avancerade verktygsövervakningssystem (TCM). Skärparametrar (hastighet, matning, svarvning) och verktygsbanastrategier varierades systematiskt. Resultaten visar att användning av pulsad kryogenisk kylning minskade den genomsnittliga flanknötningen med 42 % jämfört med konventionell kylvätska, medan adaptiva trochoidala frässtrategier minskade bearbetningstiden med 18 % och förbättrade ytjämnheten (Ra) med 15 % för tunnväggiga komponenter. Dataanalysen bekräftar en stark korrelation mellan specifik skärkraft och progressiv verktygsnötning. Dessa resultat ger konkreta strategier för att förbättra bearbetningseffektivitet och delkvalitet för kritiska luftfartsstrukturer. Begränsningarna inkluderar fokuseringen på Ti-6Al-4V; tillämplighet på andra titanlegeringar kräver ytterligare validering.

1
Den obevekliga jakten på prestanda och bränsleeffektivitet i modern flygdesign kräver omfattande användning av titanlegeringar, främst Ti-6Al-4V. Deras exceptionella hållfasthet i förhållande till vikt och korrosionsbeständighet gör dem idealiska för kritiska strukturkomponenter såsom landningsställ, motormonteringar och vingsektioner [1]. Dessa egenskaper – särskilt låg värmeledningsförmåga, hög hållfasthet vid upphöjda temperaturer och stark kemisk affinitet till verktygsmaterial – gör dock titan svår att bearbeta effektivt och exakt [2]. Utmaningar visar sig som snabb verktygsslitage, dålig ytintegritet, potentiell verktygsdeformation (särskilt i tunna sektioner) och ökade produktionskostnader [3]. Därför är optimering av CNC-fräsprocesser för titanbaserade luftfartsstrukturer en avgörande industriell målsättning. Detta arbete presenterar en praktisk metodik och experimentella resultat som fokuserar på att överkomma dessa utmaningar genom parameteroptimering och innovativa kylstrategier, med syfte att etablera tillförlitliga och kostnadseffektiva produktionsprotokoll.

2 Metoder
2.1 Experimentell design & Arbetsstyckematerial
Kärnmaterial som undersöktes var glödgad Ti-6Al-4V (Grade 5) plåt, som överensstämmer med specifikationerna enligt AMS 4911L. De främsta bearbetningsoperationerna som studerades var perifer fräsning (skärning och avslutande) och fickfräsning, vilket är representativt för vanliga strukturella egenskaper inom luftfartsindustrin. Arbetsstycken sattes säkert fast med hjälp av specialtillverkade sugkärl och strategisk mekanisk klämmning för att minimera vibrationer och böjning, särskilt viktigt för tunnväggiga geometrier.

2.2 Bearbetningsutrustning & Verktyg
Försök utfördes på en 5-axlig DMG MORI DMU 80 eVo linjär CNC-bearbetningsmaskin (40 kW spindel, max 18 000 varv/min). Skärverktygen som användes inkluderade:

• Grovtbearbetning: Hårdmetallskruvborrar (Ø10 mm, 4-skärs, ZrN-beläggning) med variabel helix/pitch-geometri.

• Finering: Hårdmetallskruvborrar (Ø8 mm & Ø6 mm, 4-skärs, AlTiN-beläggning).
  Verktygstillstånd (flankslitage VBmax) övervakades under processen med en kombination av analys av spindelkraftkonsumtion (Siemens Sinumerik 840D sl integrerad övervakning) och periodiska offline-mätningar med ett Keyence VHX-7000 digitalt mikroskop. Ytjämnhet (Ra, Rz) mättes med en Mitutoyo Surftest SJ-410 profileringsmaskin. Dimensionell precision verifierades med en Zeiss CONTURA G2 koordinatmätmaskin (CMM).

2.3 Processvariabler & Datainsamling
Viktiga oberoende variabler som systematiskt testades inkluderade:

• Snittfart (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Framfart per tand (fz): 0,04 mm/tand - 0,12 mm/tand

• Axialt snittdjup (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (finkapning), 5 mm - 15 mm (grubbskapning)

• Radiellt snittdjup (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptiva strategier)

• Kylstrategi: Konventionell flod-emulsion (6 %), Pulsad kryogenisk flytande kväve (LN2)

• Verktygsbanastrategi: Konventionella parallella banor, Adaptiv trokoidfräsning.
  De beroende variablerna som mättes var flankslitage (VBmax), ytjämnhet (Ra, Rz), specifik skärkraft (SCE), maskineringstid per funktion och dimensionsavvikelse på kritiska funktioner (väggjocklek, hålposition). Dataloggning skedde direkt från CNC-styrningssystemet (effekt, vridmoment, tid) och via offline metrologi. Minst tre replikat per villkor utfördes.

3 Resultaten och analysen
3.1 Verktygsslitageprestanda
Flankslitage påverkades i hög grad av kylstrategi och snittfart. Figur 1 illustrerar den dominerande trenden: användning av pulserad kryogen LN2-kylning minskade verktygsslitage markant vid alla testade snittfarter jämfört med konventionell emulsionskylning. Vid medelhög fart (60 m/min) minskade det genomsnittliga VBmax efter bearbetning av en standardiserad materialvolym med 42 % genom användning av kryogen kylning. Hög snittfart (80 m/min) med emulsionskylning ledde till katastrofalt verktygsfel (sprickbildning) inom en kort tidsperiod, medan kryogen kylning tillät fortsatt bearbetning, om än med ökad slitagehastighet jämfört med lägre färter. Analys av spindelkraftsignaler korrelerade starkt med offline VBmax-mätningar, vilket bekräftar TCM-systemets effektivitet för slitageprediktion (R² = 0,91).

3.2 Ytkvalitet och geometrisk precision
Ytjämnhet (Ra) påverkades i första hand av matningshastighet och verktygsbanastrategi vid avslutande operationer. Genom att minska matning per tand (fz) från 0,08 mm/tand till 0,05 mm/tand förbättrades genomsnittlig Ra med cirka 25%. Viktigt att notera är att implementering av adaptiv trokoidfräsning för bearbetning av tunna väggar (ap = 8 mm, väggtjocklek 1,5 mm) resulterade i en 15% förbättring av Ra (genomsnitt 0,32 µm jämfört med 0,38 µm med parallella banor) och minskade komponentvridningen med 30%, mätt med kordinatmätmaskin (CMM) avvikelse från nominell väggtjocklek (Figur 2). Denna strategi minskade också maskintiden för dessa detaljer med 18% genom att upprätthålla högre genomsnittlig materialborttagning genom kontrollerad verktygsinkoppling.

3.3 Produktivitet och energiförbrukning
Specifik skärningsenergi (SCE), en viktig indikator på processeffektivitet, minskade med ökande materialborttagning (MRR) vilket var att förvänta. Dock resulterade användningen av kryogenisk kylning i en 10-15 % högre SCE jämfört med översvämningskylning vid motsvarande MRR, vilket tillskrivs energikostnaden för leveransen av LN2. Trots detta resulterade den betydande förlängningen av verktygslivslängden och minskningen av icke-skärande tid (verktygsbyten, justeringar) i en nettoökning av produktiviteten med cirka 20 % per arbetsstycke för komplexa strukturdelar, vilket kompenserade SCE-nackdelen.

4 Diskussion
Den observerade dramatiska minskningen av verktygsförföring vid användning av pulserad kryogenisk LN2-kylning är i linje med etablerade mekanismer: LN2 undertrycker effektivt de höga temperaturerna i skärzonen som uppstår vid bearbetning av titan, och minskar därmed diffusions- och adhensionsförföring som är vanliga vid användning av cementitverktyg [4, 5]. Den pulserade påförseln förbättrar troligen penetrationen till verktygs-chip-gränssnittet samtidigt som den minskar onödig konsumtion. Framgången med adaptiv trochoidfräsning, särskilt för tunna väggar, beror på att nästan konstant radiell ingreppshållbarhet upprätthålls och skärkrafterna minskas, vilket minskar verktygsutböjning och arbetsstyrelsens vibrationer [6]. Detta resulterar direkt i förbättrad geometrisk noggrannhet och ytfinish.

En viktig begränsning i denna studie är dess fokus på Ti-6Al-4V. Även om denna legering är dominerande, uppvisar andra titanlegeringar (t.ex. Ti-5553, nära-beta-legeringar) olika bearbetningsegenskaper; resultaten kräver validering för dessa material. Vidare behöver de ekonomiska och miljömässiga konsekvenserna av ett omfattande införande av kryogenisk LN2 noggrann livscykelanalys, där besparingar på verktyg och produktivitetsvinster vägs mot kostnader och klimatpåverkan för LN2-produktion och distribution.

För flygindustrins tillverkningspraxis stöder dessa resultat starkt:

1. Införande av pulserad kryogen bearbetning: För kritiska, långvariga titanfräsoperationer, särskilt för nedslibning och semifärdigbearbetning, för att maximera verktygslivslängd och processpålitlighet.

2. Införande av adaptiva verktygsbanor: Särskilt trokoidala strategier för bearbetning av tunnväggiga luftfartsstrukturer för att förbättra ytintegritet, dimensionsprecision och produktionseffektivitet.

3. Integrering av verktygsövervakning: Genom att använda spindelkraftsignaler får man en praktisk, maskinintegrerad metod för att förutse verktytsnötning och schemalägga utbyten i god tid, vilket minskar risken för spill.

5 Slutsatser
Denna studie visar effektiva strategier för att förbättra CNC-bearbetning av Ti-6Al-4V för krävande strukturella tillämpningar inom luftfartsindustrin. Pulsad kryogenisk flytande kvävlekylning minskar kraftigt verktygsförflytning, en primär begränsning, och gör det möjligt att använda högre hållbara snittfarter och förlänga verktygslivslängden. Adaptiva trochoidfräsverktygsvägar förbättrar ytfinish, dimensionsprecision (särskilt för tunna väggar) och den totala produktiviteten jämfört med konventionella parallella banor. Korrelationen mellan spindelkraftövervakning och verktygsslitage erbjuder en användbar metod för pågående processkontroll. Dessa resultat ger direkt tillämpliga lösningar för tillverkare inom luftfarten som strävar efter att förbättra effektivitet, tillförlitlighet och kvalitet i produktionen av titan komponenter. Framtida arbeten bör undersöka optimering av parametrar för kryogen leverans (munstyckesdesign, pulsjustering), utöka metodiken till andra högpresterande titanlegeringar samt genomföra omfattande teknisk-ekonomiska och miljöpåverkansanalyser av implementeringen av kryogen bearbetning.