Uçak Yapıları için Titanyum CNC İşleme

Uçak yapı uygulamalarında CNC işleme açısından titanyum alaşımları, düşük termal iletkenlik ve yüksek kimyasal reaktivite gibi doğuştan özellikler nedeniyle önemli zorluklar sunar. Bu çalışma, Ti-6Al-4V'ün CNC işleme prosesinin optimize edilmesi için yapılandırılmış bir metodoloji sunar ve özellikle takım aşınmasının azaltılması ve sıkı geometrik toleransların sağlanması üzerine odaklanır. İşleme denemeleri, gelişmiş takım durumu izleme (TCM) sistemlerine sahip çok eksenli CNC merkezleri kullanılarak yapılmıştır. Kesme parametreleri (hız, ilerleme, kesme derinliği) ve takım yolu stratejileri sistematik olarak değiştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, geleneksel soğutma sıvısına göre uygulanan pulslu kriyojenik soğutmanın ortalama yan yüzey aşınmayı %42 azalttığını göstermiştir. Ayrıca, adaptif trokoidal frezeleme stratejileri, ince cidarlı bileşenlerde işleme süresini %18 azaltmış ve yüzey pürüzlülüğünü (Ra) %15 iyileştirmiştir. Veri analizleri, spesifik kesme enerjisi ile artan takım aşınması arasında güçlü bir korelasyon olduğunu doğrulamıştır. Bu bulgular, kritik havacılık yapıları için işleme verimliliği ve parça kalitesini artırmaya yönelik uygulanabilir stratejiler sunmaktadır. Çalışmanın sınırlılıklarına örnek olarak yalnızca Ti-6Al-4V üzerine odaklanılması gösterilebilir; diğer titanyum alaşımlarına uygulanabilirliğin doğrulanması için ilave araştırmalara ihtiyaç vardır.

1
Günümüz havacılık tasarımında performans ve yakıt verimliliğinin durmaksızın artan talebi, özellikle Ti-6Al-4V olmak üzere titanyum alaşımlarının yaygın kullanımını gerektirir. Yüksek dayanıklılık-ağırlık oranı ve korozyona karşı direnci nedeniyle iniş takımları, motor askıları ve gövde bölümleri gibi kritik yapısal bileşenler için idealdir [1]. Ancak, bu aynı özellikler – özellikle düşük termal iletkenlik, yüksek sıcaklıklarda yüksek dayanıklılık ve takım malzemeleriyle güçlü kimyasal etkileşim – titanyumun verimli ve hassas bir şekilde işlenmesini oldukça zorlaştırır [2]. Zorluklar, hızlı takım aşınması, düşük yüzey kalitesi, iş parçasında potansiyel deformasyon (özellikle ince kesitlerde) ve artan üretim maliyetleri şeklinde kendini gösterir [3]. Sonuç olarak, titanyum havacılık yapılarının CNC işleme süreçlerinin optimizasyonu, sanayide hâlâ kritik bir hedeftir. Bu çalışma, parametre optimizasyonu ve yenilikçi soğutma stratejileri yoluyla bu zorlukların aşılmasına yönelik pratik bir metodoloji ve deneysel sonuçlar sunmaktadır. Amacımız, güvenilir ve maliyet etkin üretim protokolleri oluşturmaktır.

2 Yöntemler
2.1 Deneysel Tasarım & İş Parçası Malzemesi
İncelenen temel malzeme, AMS 4911L spesifikasyonlarına uygun ısıl işlem görmüş Ti-6Al-4V (Sınıf 5) plakaydı. Çalışılan temel işleme operasyonları, havacılık sektöründe yaygın kullanılan yapısal özelliklerin temsilcisi olan periferik frezeleme (kaba ve ince frezeleme) ve cep frezeleme işlemleriydi. İş parçaları, özellikle ince cidarlı geometriler için çok önemli olan titreşim ve sehim miktarını en aza indirgemek amacıyla özel vakum chuck'ları ve stratejik mekanik bağlama yöntemleri kullanılarak güvenli bir şekilde sabitlendi.

2.2 İşleme Ekipmanı & Kesici Takımlar
Deneyler, 40 kW iş mili gücüne sahip ve 18,000 rpm maksimum devir hızında çalışan 5 eksenli bir DMG MORI DMU 80 eVo lineer CNC işleme merkezinde yapıldı. Kesici takımlar şunları içeriyordu:

• Kaba makineleme: Sert metal monolitik freze uçları (Ø10mm, 4 kanallı, ZrN kaplı), değişken helis/adım geometrisine sahip.

• Bitirme: Sert metal monolitik freze uçları (Ø8mm & Ø6mm, 4 kanallı, AlTiN kaplı).
  Takım durumu (yan yüz aşınması VBmax), iş sırasında Siemens Sinumerik 840D sl entegre izleme sistemiyle spindle güç tüketimi analizi ve periyodik olarak Keyence VHX-7000 dijital mikroskobu ile offline ölçüm kullanılarak izlendi. Yüzey pürüzlülüğü (Ra, Rz), Mitutoyo Surftest SJ-410 profilo metre ile ölçüldü. Boyutsal doğruluk, Zeiss CONTURA G2 koordinat ölçüm cihazı (CMM) ile doğrulandı.

2.3 Proses Değişkenleri & Veri Toplama
Sistematik olarak test edilen ana bağımsız değişkenler şunları içerdi:

• Kesme Hızı (Vc): 40 m/dak - 80 m/dak

• Diş Başına İlerleme (fz): 0.04 mm/diş - 0.12 mm/diş

• Eksenel Kesme Derinliği (ap): 0.5 mm - 3.0 mm (finiş), 5 mm - 15 mm (kaba talaş)

• Radyal Kesme Derinliği (ae): 0.5 mm - 6.0 mm (adaptif stratejiler)

• Soğutma Stratejisi: Geleneksel taşma emülsiyon (%6), Püskürtmeli kriyojenik sıvı azot (LN2)

• Takım Yolu Stratejisi: Geleneksel paralel yollar, Adaptif trokoidal frezeleme.
  Ölçülen bağımlı değişkenler şunlardı: yanak aşınması (VBmax), yüzey pürüzlülüğü (Ra, Rz), özel kesme enerjisi (SCE), iş parçası başına düşen işleme süresi ve kritik özelliklerdeki boyutsal sapma (cidar kalınlığı, delik konumu). Veri kaydı, doğrudan CNC kontrol sistemi üzerinden (güç, tork, süre) ve harici ölçümleme ile yapıldı. Her bir koşul için en az üç tekrar yapıldı.

3 Sonuçlar ve Analiz
3.1 Takım Aşınma Performansı
Soğutma stratejisi ve kesme hızı, yan yüzey aşınmasının gelişimini önemli ölçüde etkilemiştir. Şekil 1, baskın trendi göstermektedir: pulslu kriyojenik sıvı azot (LN2) soğutması kullanılması, geleneksel yoğun emülsiyon soğutma ile karşılaştırıldığında tüm test edilen kesme hızlarında kesici takım aşınmasını önemli ölçüde azaltmıştır. Orta düzeydeki hızda (60 m/dak), standartlaştırılmış bir malzeme hacmi işlendikten sonraki ortalama VBmax değeri kriyojenik soğutma kullanılarak %42 oranında azaltılmıştır. Yoğun soğutma altında yüksek kesme hızlarında (80 m/dak), kısa bir süre içinde kesici takımta felç edici hasarlar (çatlama) meydana gelmiştir; buna karşın kriyojenik soğutma, düşük hızlara göre daha hızlı aşınma görülmesine rağmen işleme işlemini sürdürebilir hale getirmiştir. Spindle güç sinyallerinin analizi, offline VBmax ölçümleri ile güçlü bir korelasyon göstermiş ve böylece takım aşınması tahmini için TCM sisteminin etkinliğini doğrulamıştır (R² = 0,91).

3.2 Yüzey Kalitesi ve Geometrik Hassasiyet
Yüzey pürüzlülüğü (Ra), özellikle bitirme işlemlerinde ilerleme hızı ve takım yolu stratejisi tarafından etkilendi. Diş başına ilerlemenin (fz) 0.08 mm/dişten 0.05 mm/dişe düşürülmesi, ortalama Ra değerini yaklaşık %25 oranında iyileştirdi. Önemli olan, ince cidarların (ap = 8 mm, cidar kalınlığı 1.5 mm) bitirilmesi için uyarlanan trokoidal frezeleme stratejisinin Ra değerinde %15 oranında iyileşme sağladığı (paralel yollarla elde edilen 0.38 µm'ye karşı ortalama 0.32 µm) ve CMM ile ölçülen nominal cidar kalınlığından sapmayı %30 azalttığı (Şekil 2) gözlemlendi. Aynı zamanda bu strateji, sürekli takım temas kontrolü sayesinde daha yüksek ortalama malzeme kaldırma hızlarını koruyarak bu özelliklerin işlenme süresini %18 oranında azalttı.

3.3 Verimlilik ve Enerji Tüketimi
Süreç verimliliğinin temel göstergesi olan Spesifik Kesme Enerjisi (SCE), beklenildiği gibi malzeme kaldırma hızının (MRR) artmasıyla birlikte azaldı. Ancak, kriyojenik soğutma kullanımının, aynı MRR değerlerinde akan su soğutmadan %10-15 daha yüksek SCE değerlerine neden olduğu görüldü. Bu durum, LN2 teslimatının enerji maliyeti nedeniyle açıklanabilir. Bununla birlikte, takım ömründe önemli bir artışa ve kesmeye yönelik olmayan zamanda (takım değişiklikleri, ayarlamalar) azalmaya sebep olmasının neticesinde, kompleks yapısal parçalar için iş parçası başına yaklaşık %20'lik bir verimlilik artışı elde edildi; SCE'deki bu dezavantajı dengeleyerek üstesinden gelindi.

4 Tartışma
Püskürtülmüş kriyojenik sıvı azot (LN2) soğutmanın takımlardaki aşınmayı önemli ölçüde azalttığı gözlemlenmiştir; bu durum, literatürde yer alan mekanizmalarla uyumludur: LN2, titanyum işlenmesi sırasında kesme bölgesine özgü yüksek sıcaklığı etkili bir şekilde bastırarak karbür takımlarda yaygın olan difüzyon ve adhezyon aşınma mekanizmalarını azaltmaktadır [4, 5]. Periyodik uygulamanın, takım-talaş ara yüzeyine nüfuzu artırarak israfı en aza indirgeyebildiği düşünülmektedir. Özellikle ince cidarlı parçalar için başarılı olan adaptif trokoidal frezelemenin başarısı, neredeyse sabit radyal teması ve azaltılmış kesme kuvvetlerini koruyarak takımın eğilmesini ve iş parçasının titreşimini en aza indirgemesine dayanmaktadır [6]. Bu durum, doğrudan geometrik doğruluk ve yüzey kalitesinde iyileşmeye neden olur.

Bu çalışmanın temel bir sınırlılığı, Ti-6Al-4V üzerine odaklanmasıdır. Yaygın olarak kullanılmakla birlikte, diğer titanyum alaşımları (örneğin, Ti-5553, neredey-beta alaşımları) farklı işlenebilirlik özelliklerine sahiptir; burada elde edilen bulguların bu malzemeler için geçerliliği doğrulanmalıdır. Ayrıca, kriyojenik LN2 kullanımının yaygınlaşmasının ekonomik ve çevresel etkileri, yaşam döngüsü değerlendirmesi ile dikkatlice incelenmelidir; bu değerlendirme, LN2 üretimi ve teslimat maliyetleri/karbon ayak izi ile takım ömrü kazançları ve verimlilik artışı arasındaki dengeyi içermelidir.

Havacılık imalat uygulamaları için bu sonuçlar şunları açıkça desteklemektedir:

1. Pulsed Cryogenic Machining (Püskürtmeli Kriyojenik İşleme) Uygulamak: Özellikle kaba ve yarı bitirme işlemlerinde, takım ömrünü ve süreç güvenilirliğini maksimize etmek için kritik, uzun süreli titanyum frezeleme işlemlerinde.

2. Adaptive Toolpaths (Uyarlanabilir Takım Yolları) Benimsemek: Havacılıkta kullanılan ince cidarlı yapıların yüzey bütünlüğü, boyutsal doğruluk ve üretim kapasitesini artırmak amacıyla özellikle trokoidal stratejilerle bitirme işlemlerinde.

3. Takım Durumu İzleme Sistemlerini Entegre Etmek: Spindle gücü sinyallerinden yararlanmak, takım aşınmasını tahmin etmek ve değişiklikleri proaktif olarak planlamak için pratik, makineye entegre bir yöntem sunar; bu da hurda riskini azaltır.

5 Sonuç
Bu çalışma, havacılık sektörünün zorlu yapısal uygulamaları için Ti-6Al-4V işlenmesinde CNC işleme verimliliğini artırmada etkili stratejileri ortaya koymaktadır. Pülsü kriyojenik sıvı azot soğutma, ana sınırlama olan hızlı takım aşınmasını önemli ölçüde azaltarak daha yüksek sürdürülebilir kesme hızlarına ve uzatılmış takım ömrüne olanak tanımaktadır. Uyumlu trokoidal frezeleme takip yolları, geleneksel paralel yollara kıyasla yüzey kalitesini, boyutsal hassasiyeti (özellikle ince cidarlar için) ve genel verimliliği artırmaktadır. Spindle gücü izleme ile takım aşınması arasındaki korelasyon, süreç içi kontrol için uygulanabilir bir yöntem sunmaktadır. Bu bulgular, havacılık üreticilerinin titanyum komponent üretiminin verimliliğini, güvenilirliğini ve kalitesini artırmak istemeleri için doğrudan uygulanabilir çözümler sağlamaktadır. Gelecek çalışmalar, kriyojenik soğutma parametrelerinin optimizasyonunu (nozul tasarımı, püls zamanlaması), yöntemin diğer yüksek performanslı titanyum alaşımlarına genişletilmesini ve kriyojenik işleme uygulamasının kapsamlı teknik-ekonomik ve çevre etkisi analizlerini içermelidir.