Титанова обробка з ЧПК для авіаційних конструкцій

Сплави титану створюють значні труднощі для обробки на CNC-верстатах у конструкціях авіаційної галузі через власні характеристики, як низька теплопровідність та висока хімічна активність. У цій роботі описано структуровану методологію оптимізації обробки Ti-6Al-4V на CNC-верстатах, зосереджену на зменшенні зношування інструменту та досягненні суворих геометричних допусків. Випробування обробки виконувалися на багатоосьових CNC-центрах, оснащених передовими системами моніторингу стану інструменту (TCM). Параметри різання (швидкість, подача, глибина різання) та стратегії руху інструменту систематично змінювалися. Результати демонструють, що використання імпульсного кріогенного охолодження зменшило середнє зношування по задній поверхні на 42% порівняно з традиційним охолодженням струменем, тимчасом як адаптивні стратегії циклоїдного фрезерування скоротили час обробки на 18% і поліпшили шорсткість поверхні (Ra) на 15% для тонкостінних деталей. Аналіз даних підтверджує сильний зв’язок між питомою силою різання та поступовим зношуванням інструменту. Ці результати надають корисні стратегії для підвищення ефективності обробки та якості деталей у критичних авіаційних конструкціях. Обмеження включають фокусування на Ti-6Al-4V; застосування до інших марок титану потребує подальшого підтвердження.

1
Неперервне прагнення до підвищення продуктивності та паливної ефективності в сучасному авіаційному проектуванні потребує широкого використання титанових сплавів, переважно Ti-6Al-4V. Їхнє виняткове співвідношення міцності до ваги та стійкість до корозії роблять їх ідеальними для критичних конструктивних елементів, таких як шасі, кріплення двигунів і секції фюзеляжу [1]. Проте саме ці властивості — зокрема, низька теплопровідність, висока міцність при підвищених температурах та сильна хімічна схильність до матеріалів інструменту — роблять титан надзвичайно важким для ефективного та точного оброблення [2]. Виклики проявляються у швидкому зношенні інструменту, поганій якості обробленої поверхні, потенційних деформаціях заготовки (особливо у тонких перерізах) та підвищених витратах на виробництво [3]. Відповідно, оптимізація процесів фрезерування титанових авіаційних конструкцій залишається важливим промисловим завданням. У цій роботі представлено практичну методологію та експериментальні результати, спрямовані на подолання цих викликів шляхом оптимізації параметрів оброблення та інноваційних стратегій охолодження, з метою встановлення надійних та економічно ефективних виробничих протоколів.

2 Методи
2.1 Проектування експерименту та матеріал заготовки
Основним досліджуваним матеріалом була відпалена титанова пластина Ti-6Al-4V (клас 5), яка відповідає специфікації AMS 4911L. Основні операції обробки, які вивчалися, це периферійне фрезерування (чорнове і чистове) та обробка карманів, що є типовими для авіаційних конструкцій. Заготовки надійно фіксувалися за допомогою спеціальних вакуумних патрів та стратегічного механічного кріплення для мінімізації вібрацій і прогинів, особливо важливо для тонкостінних конструкцій.

2.2 Обладнання для обробки та інструменти
Експерименти проводилися на 5-осьовому верстаті з ЧПУ DMG MORI DMU 80 eVo linear (потужність шпинделя 40 кВт, максимальна швидкість обертання 18 000 об/хв). Ріжучий інструмент включав:

• Груба обробка: Монолітні твердосплавні фрези (Ø10 мм, 4-зубці, покриті ZrN) зі змінним кутом нахилу/змінним кроком гвинтової канавки.

• Фінішне виконання: Монолітні твердосплавні фрези (Ø8 мм та Ø6 мм, 4-зубці, покриті AlTiN).
  Стан інструменту (знос задньої поверхні VBmax) контролювався в процесі шляхом аналізу споживання потужності шпинделя (вбудований моніторинг Siemens Sinumerik 840D sl) та періодичних позапроцесних вимірювань за допомогою цифрового мікроскопа Keyence VHX-7000. Шорсткість поверхні (Ra, Rz) вимірювалася за допомогою профіломіра Mitutoyo Surftest SJ-410. Вимірювання геометричної точності здійснювалося на координатно-вимірювальній машині Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Змінні процесу та збирання даних
Ключові незалежні змінні, які тестувалися систематично, включали:

• Швидкість різання (Vc): 40 м/хв - 80 м/хв

• Подача на зуб (fz): 0,04 мм/зуб - 0,12 мм/зуб

• Осьова глибина різання (ap): 0,5 мм - 3,0 мм (обробка), 5 мм - 15 мм (чорнове різання)

• Радіальна глибина різання (ae): 0,5 мм - 6,0 мм (адаптивні стратегії)

• Система охолодження: традиційна мінеральна емульсія (6%), імпульсне кріогенне рідке азотне (LN2)

• Траєкторія різання: традиційні паралельні шляхи, адаптивне трохоїдне фрезерування.
  Вимірювані залежні змінні: знос різця (VBmax), шорсткість поверхні (Ra, Rz), питома різальна енергія (SCE), час обробки на один елемент, відхилення розмірів критичних елементів (товщина стінки, положення отвору). Запис даних відбувався безпосередньо з системи керування ЧПК (потужність, крутний момент, час) та шляхом поза лінійної метрології. На кожну умову було виконано щонайменше три повторення.

3 Результати та Аналіз
3.1 Виробничі характеристики зношування інструменту
Прогрес зношування різця суттєво впливала стратегія охолодження та швидкість різання. На рисунку 1 показано домінуючу тенденцію: застосування імпульсного кріогенного охолодження різко зменшило зношування інструментів на всіх випробуваних швидкостях різання порівняно з традиційним зрошенням емульсією. На середній швидкості (60 м/хв) середнє значення VBmax після обробки стандартизованого об'єму матеріалу скоротилося на 42% при використанні кріогенного охолодження. Високі швидкості різання (80 м/хв) при зрошуванні призвели до катастрофічного виходу з ладу інструменту (відшарування) протягом короткого часу, тимчасом як кріогенне охолодження дозволило продовжити обробку, хоча із прискореним зношуванням порівняно з нижчими швидкостями. Аналіз сигналів потужності шпинделя сильно корелював із позамашинними вимірюваннями VBmax, що підтверджує ефективність системи TCM для прогнозування зношування (R² = 0,91).

3.2 Якість поверхні та геометрична точність
Шорсткість поверхні (Ra) в основному впливала на подачу та стратегію інструментального шляху при остаточній обробці. Зменшення подачі на зуб (fz) з 0,08 мм/зуб до 0,05 мм/зуб поліпшило середнє значення Ra приблизно на 25%. Важливо, що впровадження адаптивної трохоїдної фрезерування для обробки тонких стінок (ap = 8 мм, товщина стінки 1,5 мм) забезпечило покращення Ra на 15% (середнє 0,32 мкм порівняно з 0,38 мкм при паралельних шляхах) і зменшило деформацію деталі на 30%, як виміряно за допомогою CMM відхилення від номінальної товщини стінки (рисунок 2). Ця стратегія також скоротила час обробки цих елементів на 18% за рахунок підтримки вищих середніх швидкостей видалення матеріалу завдяки контролю постійного зачеплення інструменту.

3.3 Продуктивність та енергоспоживання
Питома енергоємність різання (SCE), ключовий показник ефективності процесу, зменшувалася зі зростанням швидкості видалення матеріалу (MRR), як і очікувалося. Однак використання кріогенного охолодження призводило до збільшення SCE на 10–15% порівняно з інтенсивним охолодженням при однаковій MRR, що пояснюється витратами енергії на подачу рідкого азоту (LN2). Незважаючи на це, значне подовження терміну служби інструменту та скорочення часу, не пов’язаного з різанням (заміна інструментів, регулювання), забезпечило загальне підвищення продуктивності приблизно на 20% на кожну деталь для складних конструкційних частин, що компенсувало збільшення SCE.

4 Обговорення
Спостережуване значне зменшення зносу інструменту при використанні імпульсного кріогенного охолодження рідким азотом (LN2) узгоджується з встановленими механізмами: LN2 ефективно пригнічує високі температури зони різання, притаманні обробці титану, тим самим зменшуючи механізми зносу через дифузію та адгезію, які характерні для твердосплавних інструментів [4, 5]. Імпульсна подача, ймовірно, підвищує проникнення в інтерфейс між інструментом і стружкою, одночасно зменшуючи надмірне споживання. Успіх адаптивного трохоїдного фрезерування, особливо для тонких стінок, полягає у підтриманні майже постійного радіального зачеплення та зменшенні зусиль різання, що мінімізує прогин інструменту та вібрацію заготовки [6]. Це безпосередньо призводить до покращення геометричної точності та якості обробленої поверхні.

Важливим обмеженням цього дослідження є його фокус на Ti-6Al-4V. Хоча цей сплав є домінуючим, інші титанові сплави (наприклад, Ti-5553, близькі до бета-сплавів) мають інші характеристики оброблюваності; отримані результати потребують перевірки для цих матеріалів. Крім того, економічні та екологічні наслідки масового використання кріогенного рідкого азоту (LN2) потребують ретельної оцінки життєвого циклу, щоб збалансувати економію на інструментах і зростання продуктивності з витратами та вуглецевим слідом виробництва і доставки LN2.

Для практики виробництва авіаційних деталей ці результати чітко підтримують:

1. Застосування імпульсної кріогенної обробки: Для критичних, тривалих операцій фрезерування титану, особливо для чорнової та напівчистової обробки, з метою максимізації терміну служби інструменту та надійності процесу.

2. Впровадження адаптивних траєкторій інструменту: Зокрема, трохоїдні стратегії для чистової обробки тонкостінних авіаційних конструкцій з метою підвищення якості поверхні, точності розмірів та продуктивності.

3. Інтеграцію моніторингу стану інструменту: Використання сигналів потужності шпинделя забезпечує практичний, інтегрований у машину метод прогнозування зношування інструменту та планування його заміни на випереджувальний спосіб, що зменшує ризик браку.

5 Висновок
Це дослідження демонструє ефективні стратегії підвищення ефективності фрезерування з ЧПК матеріалу Ti-6Al-4V для вимогливих авіаційних конструкційних застосувань. Охолодження рідким азотом у імпульсному режимі суттєво зменшує швидке зношування інструменту, що є основним обмеженням, забезпечуючи вищі сталі швидкості різання та тривалість служби інструменту. Адаптивні траєкторії фрезерування покращують якість обробленої поверхні, точність розмірів (особливо для тонкостінних елементів) та загальну продуктивність порівняно з традиційними паралельними траєкторіями. Встановлено кореляцію між споживанням потужності шпинделя та зношуванням інструменту, що дає можливість контролю в процесі обробки. Ці результати надають безпосередньо застосовні рішення для авіаційних виробників, які прагнуть підвищити ефективність, надійність та якість виробництва титанових компонентів. У подальших дослідженнях слід вивчити оптимізацію параметрів подачі кріогенного охолодження (конструкція сопла, часові параметри імпульсів), поширити методологію на інші високоміцні титанові сплави та провести комплексний техніко-економічний та екологічний аналіз впровадження кріогенного оброблення.