Titanium CNC Machining สำหรับโครงสร้างอากาศยาน

โลหะผสมไทเทเนียมมีความท้าทายอย่างมากต่อกระบวนการทำแมชชีนแบบ CNC สำหรับการใช้งานโครงสร้างอากาศยาน เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น การนำความร้อนต่ำ และมีความไวทางเคมีสูง งานวิจัยนี้ได้แสดงระเบียบวิธีแบบมีโครงสร้างสำหรับการปรับปรุงกระบวนการทำแมชชีน Ti-6Al-4V โดยเน้นการลดการสึกหรอของเครื่องมือ และการบรรลุมาตรฐานความแม่นยำทางเรขาคณิตที่เข้มงวด การทดลองการทำแมชชีนใช้เครื่อง CNC แบบหลายแกนที่ติดตั้งระบบตรวจสอบสภาพเครื่องมือขั้นสูง (TCM) พารามิเตอร์การตัด (ความเร็ว, อัตราการให้อาหาร, ความลึกของการตัด) และกลยุทธ์เส้นทางเครื่องมือ (toolpath) มีการเปลี่ยนแปลงอย่างเป็นระบบ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า การใช้ระบบทำความเย็นด้วยไนโตรเจนเหลวแบบเป็นจังหวะ ช่วยลดการสึกหรอบนด้านเฉลี่ยลง 42% เมื่อเทียบกับการทำความเย็นแบบทั่วไป ในขณะที่กลยุทธ์การกัดแบบโทรคอยดัล (trochoidal) แบบปรับตัว ช่วยลดเวลาการทำแมชชีนลง 18% และปรับปรุงค่าความหยาบของพื้นผิว (Ra) ลง 15% สำหรับชิ้นส่วนที่มีผนังบาง การวิเคราะห์ข้อมูลยืนยันว่ามีความสัมพันธ์อย่างชัดเจนระหว่างพลังงานการตัดเฉพาะเจาะจงกับการสึกหรอของเครื่องมือที่เพิ่มขึ้น ผลการวิจัยนี้นำเสนอแนวทางเชิงปฏิบัติในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและการควบคุมคุณภาพชิ้นงานสำหรับโครงสร้างอากาศยานที่สำคัญ ข้อจำกัดรวมถึงการเน้นเฉพาะ Ti-6Al-4V การประยุกต์ใช้กับไทเทเนียมเกรดอื่น ๆ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติม

1
การมุ่งมั่นอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้มาซึ่งสมรรถนะและความประหยัดเชื้อเพลิงในแบบจำเป็นของการออกแบบอากาศยานสมัยใหม่ จำเป็นต้องใช้โลหะผสมไทเทเนียมอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะ Ti-6Al-4V คุณสมบัติที่โดดเด่นของโลหะชนิดนี้ ได้แก่ อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงและทนทานต่อการกัดกร่อน ทำให้มันเหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างสำคัญ เช่น อุปกรณ์ลงจอด (landing gear), ฐานยึดเครื่องยนต์ (engine mounts) และโครงตัวเครื่องบิน (airframe sections) [1] อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเดียวกันเหล่านี้ โดยเฉพาะการนำความร้อนต่ำ ความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง และความเข้ากันได้ทางเคมีที่แรงกับวัสดุของเครื่องมือ ทำให้ไทเทเนียมมีชื่อเสียงว่าเป็นโลหะที่ยากต่อการกลึงให้มีประสิทธิภาพและแม่นยำ [2] ความท้าทายที่เกิดขึ้นแสดงออกเป็นการสึกหรอของเครื่องมืออย่างรวดเร็ว คุณภาพผิวไม่ดี ความเสี่ยงในการบิดงอของชิ้นงาน (โดยเฉพาะในส่วนที่บาง) และต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้น [3] ดังนั้น การปรับปรุงกระบวนการกลึงแบบ CNC สำหรับโครงสร้างอากาศยานจากไทเทเนียมยังคงเป็นเป้าหมายสำคัญของอุตสาหกรรม งานวิจัยนี้นำเสนอวิธีการเชิงปฏิบัติและผลการทดลองที่มุ่งเน้นการแก้ไขปัญหาเหล่านี้ผ่านการปรับปรุงพารามิเตอร์และกลยุทธ์การระบายความร้อนที่สร้างสรรค์ โดยมีเป้าหมายเพื่อกำหนดมาตรฐานการผลิตที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพทางต้นทุน

2 วิธีการ
2.1 การออกแบบการทดลองและวัสดุชิ้นงาน
วัสดุหลักที่นำมาศึกษาคือแผ่นไทเทเนียม-อลูมิเนียม-วาเนเดียม 6-4 (เกรด 5) ที่ผ่านการอบอ่อนแล้ว (annealed Ti-6Al-4V) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดตามมาตรฐาน AMS 4911L การตัดเฉือนหลักที่ศึกษาได้แก่ การกัดรอบด้าน (roughing และ finishing) และการกัดช่องว่าง (pocketing) ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะทางโครงสร้างอากาศยานที่พบโดยทั่วไป ชิ้นงานถูกยึดให้อยู่ในตำแหน่งอย่างมั่นคงโดยใช้ชุดยึดแบบสุญญากาศแบบกำหนดเอง (custom vacuum chucks) ร่วมกับการยึดด้วยเครื่องกลอย่างระมัดระวัง เพื่อลดการสั่นสะเทือนและการโก่งตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นงานที่มีผนังบาง

2.2 อุปกรณ์การตัดเฉือนและเครื่องมือ
การทดลองดำเนินการบนเครื่องกัด CNC แบบ 5 แกน DMG MORI DMU 80 eVo linear (กำลังมอเตอร์ 40 กิโลวัตต์ ความเร็วแกนหมุนสูงสุด 18,000 รอบต่อนาที) เครื่องมือตัดที่ใช้ประกอบด้วย:

• การกลึงคร่าว: ดอกกัดแบบคาร์ไบด์ทึบ (Ø10 มม., 4 ฟัน, ชุบด้วย ZrN) ที่มีลักษณะร่องเกลียว/ระยะห่างแบบแปรผัน

• การตกแต่งผิว: ดอกกัดแบบคาร์ไบด์ทึบ (Ø8 มม. และ Ø6 มม., 4 ฟัน, ชุบด้วย AlTiN)
  สภาพของเครื่องมือ (การสึกหรอของ flank wear VBmax) ถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์โดยใช้การวิเคราะห์การบริโภคพลังงานของแกนหมุน (Siemens Sinumerik 840D sl integrated monitoring) ร่วมกับการวัดค่าแบบออฟไลน์เป็นระยะผ่านกล้องจุลทรรศน์ดิจิทัล Keyence VHX-7000 ความหยาบของพื้นผิว (Ra, Rz) ถูกวัดโดยใช้เครื่อง Mitutoyo Surftest SJ-410 profilometer ความแม่นยำทางมิติถูกตรวจสอบด้วยเครื่อง Zeiss CONTURA G2 coordinate measuring machine (CMM)

2.3 ตัวแปรกระบวนการและการเก็บข้อมูล
ตัวแปรอิสระที่สำคัญซึ่งถูกทดสอบอย่างเป็นระบบ ได้แก่

• ความเร็วในการตัด (Vc): 40 เมตร/นาที - 80 เมตร/นาที

• ป้อนต่อฟัน (fz): 0.04 มม./ต่อฟัน - 0.12 มม./ต่อฟัน

• ความลึกในการตัดตามแนวแกน (ap): 0.5 มม. - 3.0 มม. (งานเก็บ), 5 มม. - 15 มม. (งานเบิก)

• ความลึกในการตัดตามแนวรัศมี (ae): 0.5 มม. - 6.0 มม. (กลยุทธ์แบบปรับตัว)

• กลยุทธ์การทำความเย็น: สารหล่อลื่นแบบน้ำมันผสมน้ำท่วม (6%), ไนโตรเจนเหลวแบบพัลส์ (LN2)

• กลยุทธ์เส้นทางเครื่องมือ: เส้นทางขนานแบบทั่วไป, การกัดแบบ trochoidal แบบปรับตัว
  ตัวแปรตามที่วัดคือการสึกหรอของด้านข้าง (VBmax), ความหยาบของพื้นผิว (Ra, Rz), พลังงานการตัดเฉพาะเจาะจง (SCE), เวลาในการกลึงต่อแต่ละลักษณะงาน และความเบี่ยงเบนด้านมิติของลักษณะงานสำคัญ (ความหนาของผนัง, ตำแหน่งรู) การบันทึกข้อมูลเกิดขึ้นโดยตรงจากระบบควบคุม CNC (กำลังไฟฟ้า, แรงบิด, เวลา) และผ่านการวัดค่าแบบออฟไลน์ มีการดำเนินการทดลองซ้ำอย่างน้อยสามครั้งในแต่ละเงื่อนไข

3 ผลลัพธ์และการวิเคราะห์
3.1 สมรรถนะการสึกหรอของเครื่องมือ
การสึกหรอของด้านข้างมีความชัดเจนตามยุทธศาสตร์ในการระบายความร้อนและความเร็วในการตัด รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มหลัก ซึ่งการใช้ระบบระบายความเย็นแบบพัลส์ด้วยไนโตรเจนเหลวลดการสึกหรอของเครื่องมือได้อย่างมากในความเร็วการตัดที่ทดสอบทั้งหมด เมื่อเทียบกับวิธีการหล่อลื่นแบบทั่วไป (flood emulsion) ที่ความเร็วระดับกลาง (60 เมตร/นาที) ค่าเฉลี่ยของ VBmax หลังจากการกลึงปริมาณวัสดุมาตรฐานลดลงถึง 42% เมื่อใช้ระบบระบายความเย็นแบบ cryogenic ความเร็วในการตัดที่สูง (80 เมตร/นาที) ภายใต้การระบายความร้อนแบบ flood นำไปสู่การเสียหายอย่างรุนแรงของเครื่องมือ (chipping) ภายในระยะเวลาอันสั้น ในขณะที่การระบายความเย็นแบบ cryogenic ช่วยให้สามารถทำการกลึงต่อเนื่องได้ แม้ว่าจะมีอัตราการสึกหรอที่เร็วขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับความเร็วที่ต่ำกว่า การวิเคราะห์สัญญาณพลังงานของแกนหมุน (spindle power signals) มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับค่า VBmax ที่วัดได้แบบออฟไลน์ ซึ่งยืนยันถึงประสิทธิภาพของระบบ TCM ในการทำนายการสึกหรอ (R² = 0.91)

3.2 คุณภาพพื้นผิวและความแม่นยำทางเรขาคณิต
ความหยาบผิว (Ra) ได้รับผลกระทบเป็นหลักจากอัตราการให้อาหารและความเหมาะสมของการเคลื่อนที่ของเครื่องมือในการทำงานขั้นสุดท้าย การลดค่า feed per tooth (fz) จาก 0.08 มม./ต่อฟัน เป็น 0.05 มม./ต่อฟัน ช่วยปรับปรุงค่า Ra เฉลี่ยได้ประมาณ 25% ที่สำคัญ การใช้การกัดแบบ trochoidal แบบปรับตัวได้สำหรับงานขึ้นรูปผนังบาง (ap = 8 มม., ความหนาผนัง 1.5 มม.) ช่วยปรับปรุงค่า Ra ได้ 15% (ค่าเฉลี่ย 0.32 ไมครอน เทียบกับ 0.38 ไมครอน เมื่อใช้เส้นทางแบบขนาน) และลดการบิดเบือนของชิ้นงานลง 30% ตามที่วัดได้จากค่าความเบี่ยงเบนของเครื่อง CMM เมื่อเทียบกับความหนาผนังตามมาตรฐาน (รูปที่ 2) กลยุทธ์นี้ยังช่วยลดเวลาในการกลึงชิ้นส่วนเหล่านี้ลง 18% โดยสามารถรักษายอดอัตราการขจัดวัสดุเฉลี่ยให้สูงขึ้นได้ด้วยการควบคุมการสัมผัสเครื่องมือให้คงที่

3.3 ประสิทธิภาพการผลิตและการใช้พลังงาน
พลังงานการตัดเฉพาะ (SCE) ซึ่งเป็นตัวชี้วัดสำคัญของประสิทธิภาพกระบวนการ ลดลงตามที่คาดไว้เมื่ออัตราการขจัดวัสดุ (MRR) เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม การใช้ระบบทำความเย็นแบบคริโอเจนิกส่งผลให้ค่า SCE สูงขึ้น 10-15% เมื่อเทียบกับการใช้ระบบทำความเย็นแบบท่วมชิ้นงานที่ค่า MRR เท่ากัน ซึ่งเป็นผลมาจากต้นทุนพลังงานในการส่งมอบ LN2 ถึงแม้จะมีข้อเสียเช่นนี้ แต่การยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดให้ยาวนานขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และการลดเวลาที่ไม่ได้ใช้ในการตัด (การเปลี่ยนเครื่องมือ ปรับตั้งเครื่องมือ) ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของผลผลิตสุทธิประมาณ 20% ต่อชิ้นงานสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีความซับซ้อน ซึ่งสามารถชดเชย้ค่า SCE ที่เพิ่มขึ้นได้

4 การอภิปราย
การลดลงของอัตราการสึกหรอของเครื่องมือที่สังเกตเห็นได้อย่างชัดเจน เมื่อใช้การหล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลว (LN2) แบบพัลส์ สอดคล้องกับกลไกที่เป็นที่ยอมรับอยู่ กล่าวคือ LN2 สามารถควบคุมอุณหภูมิในเขตตัดที่สูงมาก ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการกลึงไทเทเนียม จึงลดกลไกการสึกหรอที่เกิดจากการแพร่และยึดติดที่พบบ่อยเมื่อใช้เครื่องมือคาร์ไบด์ [4, 5] การส่งผ่านแบบพัลส์น่าจะช่วยเพิ่มการซึมผ่านเข้าสู่พื้นที่ interface ระหว่างเครื่องมือกับชิ้นส่วนที่ตัด ขณะเดียวกันก็ลดการสูญเสียของ LN2 ความสำเร็จของการกัด trochoidal แบบปรับตัว โดยเฉพาะสำหรับผนังบาง มาจากการรักษาการมีส่วนร่วมตามแนวรัศมีที่เกือบคงที่ และแรงตัดที่ลดลง ซึ่งช่วยลดการบิดงอของเครื่องมือและแรงสั่นสะเทือนของชิ้นงาน [6] สิ่งนี้นำมาซึ่งความแม่นยำทางเรขาคณิตและคุณภาพพื้นผิวที่ดีขึ้น

ข้อจำกัดหลักประการหนึ่งของงานวิจัยนี้คือการเน้นที่ Ti-6Al-4V แม้ว่าจะเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่โลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ (เช่น Ti-5553 โลหะผสมแบบใกล้เบต้า) มีคุณสมบัติการตัดที่แตกต่างกัน การค้นพบที่นี้จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับวัสดุเหล่านั้น นอกจากนี้ ผลกระทบทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมจากการนำ LN2 มาใช้แบบกว้างขวางจำเป็นต้องมีการประเมินวงจรชีวิต (Lifecycle Assessment) โดยละเอียด เพื่อเปรียบเทียบความคุ้มค่าระหว่างการประหยัดเครื่องมือและประสิทธิภาพการผลิต กับต้นทุนและปริมาณคาร์บอนฟุตพรินต์ในการผลิตและการขนส่ง LN2

สำหรับการปฏิบัติในอุตสาหกรรมการผลิตอากาศยาน ผลลัพธ์เหล่านี้ให้การสนับสนุนอย่างแข็งขันในเรื่อง:

1. การใช้เทคโนโลยีการตัดด้วยไนโตรเจนเหลวแบบพัลส์ (Pulsed Cryogenic Machining): สำหรับกระบวนการกัดไทเทเนียมที่สำคัญและใช้เวลานาน โดยเฉพาะขั้นตอนการกัดหยาบและกัดกึ่งสำเร็จรูป เพื่อยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือและเพิ่มความน่าเชื่อถือของกระบวนการผลิต

2. การนำทางเครื่องมือแบบปรับตัว (Adaptive Toolpaths): โดยเฉพาะกลยุทธ์แบบ trochoidal สำหรับการกัดขั้นสุดท้ายของโครงสร้างอากาศยานที่มีผนังบาง เพื่อเพิ่มคุณภาพพื้นผิว ความแม่นยำทางมิติ และอัตราการผลิต

3. การผนวกรวมระบบตรวจสอบสภาพเครื่องมือ (Tool Condition Monitoring): การใช้สัญญาณกำลังของแกนหมุน (spindle power signals) ช่วยให้สามารถทำนายการสึกหรอของเครื่องมือและจัดตารางเปลี่ยนเครื่องมือล่วงหน้าได้โดยตรงผ่านระบบเครื่องจักร ช่วยลดความเสี่ยงของของเสีย

5 สรุป
การศึกษานี้แสดงถึงกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการกลึง CNC ของ Ti-6Al-4V เพื่อใช้ในโครงสร้างการบินและอวกาศที่ต้องการคุณสมบัติสูง การทำให้เย็นด้วยไนโตรเจนเหลวแบบพัลส์ cryogenic ช่วยลดการสึกหรือของเครื่องมืออย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นข้อจำกัดหลัก ช่วยให้สามารถตัดด้วยความเร็วที่สูงขึ้นและยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือได้ ทางเดินเครื่องมือแบบ adaptive trochoidal milling มีผลให้พื้นผิวงานมีคุณภาพดีขึ้น ความแม่นยำทางมิติสูงขึ้น (โดยเฉพาะสำหรับผนังบาง) และเพิ่มผลผลิตโดยรวมเมื่อเทียบกับทางเดินแบบขนานทั่วไป การเชื่อมโยงระหว่างการตรวจสอบกำลังของแกนหลัก (spindle power monitoring) กับการสึกหรอของเครื่องมือ ช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการผลิตได้แบบ real-time ผลการศึกษานี้ให้แนวทางแก้ไขที่สามารถนำไปใช้ได้ทันทีสำหรับผู้ผลิตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และคุณภาพในการผลิตชิ้นส่วนไทเทเนียม งานวิจัยในอนาคตควรพิจารณาการปรับปรุงพารามิเตอร์การส่งมอบ cryogenic (เช่น ออกแบบหัวฉีด จังหวะเวลาของพัลส์) ขยายวิธีการไปยังโลหะผสมไทเทเนียมประสิทธิภาพสูงอื่น ๆ และดำเนินการวิเคราะห์เชิงเศรษฐกิจ-เทคโนโลยี และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างครอบคลุมของการใช้เทคโนโลยี cryogenic machining