Gia công CNC Titan cho Kết cấu Hàng không Vũ trụ

Hợp kim titan gây ra những thách thức đáng kể trong gia công CNC cho các ứng dụng cấu trúc hàng không vũ trụ do các tính chất đặc trưng như độ dẫn nhiệt thấp và tính phản ứng hóa học cao. Công trình này trình bày một phương pháp tiếp cận có hệ thống nhằm tối ưu hóa quá trình gia công CNC của Ti-6Al-4V, tập trung vào việc giảm mài mòn dụng cụ và đạt được các dung sai hình học nghiêm ngặt. Các thí nghiệm gia công đã sử dụng các trung tâm CNC đa trục được trang bị hệ thống giám sát tình trạng dao tiên tiến (TCM). Các thông số cắt (tốc độ, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) và các chiến lược quỹ đạo dao được thay đổi một cách hệ thống. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng làm nguội cryogenic theo xung làm giảm trung bình mài mòn mặt bên của dao 42% so với phương pháp làm nguội truyền thống, trong khi các chiến lược phay trochoidal thích ứng làm giảm thời gian gia công 18% và cải thiện độ nhám bề mặt (Ra) 15% đối với các chi tiết thành mỏng. Phân tích dữ liệu xác nhận mối tương quan mạnh giữa năng lượng cắt riêng và sự mài mòn dụng cụ theo thời gian. Những phát hiện này cung cấp các chiến lược khả thi nhằm nâng cao hiệu quả gia công và chất lượng chi tiết trong các cấu trúc hàng không vũ trụ quan trọng. Những hạn chế bao gồm việc tập trung vào Ti-6Al-4V; khả năng áp dụng cho các cấp hợp kim titan khác cần được kiểm chứng thêm.

1
Việc theo đuổi không ngừng hiệu suất và hiệu quả nhiên liệu trong thiết kế hàng không hiện đại đòi hỏi phải sử dụng rộng rãi hợp kim titan, chủ yếu là Ti-6Al-4V. Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng vượt trội và khả năng chống ăn mòn của chúng khiến chúng trở nên lý tưởng cho các bộ phận cấu trúc quan trọng như càng đáp, giá đỡ động cơ và các đoạn khung máy bay [1]. Tuy nhiên, chính những đặc tính này – đáng chú ý là độ dẫn nhiệt thấp, độ bền cao ở nhiệt độ cao, và ái lực hóa học mạnh với vật liệu dụng cụ – khiến titan trở nên notoriously khó gia công hiệu quả và chính xác [2]. Những thách thức thể hiện dưới dạng mài mòn dụng cụ nhanh, chất lượng bề mặt kém, nguy cơ biến dạng phôi (đặc biệt với các chi tiết mỏng), và chi phí sản xuất cao [3]. Do đó, việc tối ưu hóa các quy trình gia công CNC cho các cấu trúc hàng không bằng titan vẫn là một mục tiêu công nghiệp quan trọng. Công trình này trình bày một phương pháp thực tiễn và kết quả thí nghiệm tập trung vào việc vượt qua những thách thức nói trên thông qua việc tối ưu hóa thông số và các chiến lược làm nguội sáng tạo, hướng tới thiết lập các quy trình sản xuất đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí.

2 Phương pháp
2.1 Thiết kế thí nghiệm & Vật liệu phôi
Vật liệu lõi được nghiên cứu là tấm Ti-6Al-4V ủ (Cấp 5), đáp ứng các đặc tả theo tiêu chuẩn AMS 4911L. Các nguyên công gia công chính được nghiên cứu bao gồm phay mặt bên (thô và tinh) và khoét hốc, đại diện cho các đặc điểm cấu trúc hàng không phổ biến. Các phôi gia công được kẹp chặt chắc chắn bằng mâm cặp chân không tùy chỉnh và kẹp cơ học chiến lược để giảm thiểu rung động và độ võng, đặc biệt quan trọng đối với các hình dạng thành mỏng.

2.2 Thiết bị & Dụng cụ gia công
Thí nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công CNC 5 trục DMG MORI DMU 80 eVo (trục chính 40 kW, tốc độ tối đa 18.000 vòng/phút). Các dụng cụ cắt bao gồm:

• Phay thô: Dao phay ngón carbide nguyên khối (Ø10mm, 4 răng, phủ lớp ZrN) với hình dạng góc xoắn/bước biến thiên.

• Hoàn thiện: Dao phay ngón carbide nguyên khối (Ø8mm & Ø6mm, 4 răng, phủ lớp AlTiN).
  Tình trạng dụng cụ (mòn mặt bên VBmax) được giám sát trong quá trình gia công bằng cách kết hợp phân tích mức tiêu thụ công suất trục chính (giám sát tích hợp Siemens Sinumerik 840D sl) và đo kiểm định kỳ bằng kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX-7000. Độ nhám bề mặt (Ra, Rz) được đo bằng máy đo độ nhám Mitutoyo Surftest SJ-410. Độ chính xác về kích thước được kiểm chứng bằng máy đo ba chiều Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Biến số quy trình & Thu thập dữ liệu
Các biến độc lập chính được kiểm tra có hệ thống bao gồm:

• Tốc độ cắt (Vc): 40 m/phút - 80 m/phút

• Lượng chạy dao mỗi răng (fz): 0,04 mm/răng - 0,12 mm/răng

• Chiều sâu cắt theo phương trục (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (hoàn thiện), 5 mm - 15 mm (thô)

• Chiều sâu cắt theo phương kính (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (chiến lược thích nghi)

• Chiến lược làm mát: Nhũ tương truyền thống (6%), Nitơ lỏng cryogenic xung (LN2)

• Chiến lược đường chạy dao: Các đường song song truyền thống, Phay trochoidal thích nghi.
  Các biến phụ thuộc được đo bao gồm mài mòn mặt bên (VBmax), độ nhám bề mặt (Ra, Rz), năng lượng cắt riêng (SCE), thời gian gia công trên mỗi đặc tính, và độ lệch kích thước trên các đặc tính quan trọng (độ dày thành, vị trí lỗ). Việc ghi dữ liệu diễn ra trực tiếp từ hệ thống điều khiển CNC (công suất, mô-men xoắn, thời gian) và thông qua đo lường ngoại tuyến. Mỗi điều kiện được thực hiện tối thiểu ba lần lặp lại.

3 Kết Quả và Phân Tích
3.1 Hiệu suất mài mòn dụng cụ
Tiến triển mài mòn lưỡi cắt bị ảnh hưởng đáng kể bởi chiến lược làm mát và tốc độ cắt. Hình 1 minh họa xu hướng chủ đạo: việc sử dụng làm mát bằng LN2 cryogenic dạng xung làm giảm đáng kể mài mòn dụng cụ ở tất cả các tốc độ cắt được thử nghiệm so với phương pháp làm mát truyền thống bằng nhũ tương. Ở tốc độ trung bình (60 m/phút), giá trị VBmax trung bình sau khi gia công một thể tích vật liệu tiêu chuẩn đã giảm 42% khi sử dụng làm mát cryogenic. Tốc độ cắt cao (80 m/phút) với làm mát bằng nhũ tương dẫn đến sự phá hủy dụng cụ nghiêm trọng (bể mẻ) trong thời gian ngắn, trong khi làm mát cryogenic cho phép tiếp tục gia công, mặc dù tốc độ mài mòn nhanh hơn so với các tốc độ thấp hơn. Phân tích tín hiệu công suất trục chính có mối tương quan mạnh với các phép đo VBmax bên ngoài, khẳng định hiệu quả của hệ thống TCM trong việc dự đoán mài mòn (R² = 0.91).

3.2 Chất lượng bề mặt và Độ chính xác hình học
Độ nhám bề mặt (Ra) chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tốc độ chạy dao và chiến lược đường chạy dao trong các bước hoàn thiện. Việc giảm lượng chạy dao mỗi răng (fz) từ 0.08 mm/răng xuống 0.05 mm/răng đã cải thiện giá trị Ra trung bình khoảng 25%. Đặc biệt, việc áp dụng phương pháp phay trochoidal thích ứng để hoàn thiện các thành mỏng (ap = 8mm, độ dày thành 1.5mm) đã mang lại cải thiện 15% về Ra (trung bình 0.32 µm so với 0.38 µm khi sử dụng các đường chạy dao song song) và giảm biến dạng chi tiết 30%, được đo bằng độ lệch của máy đo ba chiều (CMM) so với độ dày thành danh nghĩa (Hình 2). Chiến lược này cũng giảm thời gian gia công các đặc điểm này 18% nhờ duy trì tốc độ loại bỏ vật liệu trung bình cao hơn thông qua việc kiểm soát sự ăn dao liên tục.

3.3 Năng suất và Tiêu thụ năng lượng
Năng lượng cắt riêng (SCE), một chỉ số quan trọng phản ánh hiệu quả quy trình, giảm dần khi tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) tăng lên như mong đợi. Tuy nhiên, việc sử dụng làm mát bằng cryogenic dẫn đến SCE cao hơn 10-15% so với làm mát bằng tưới nguội ở cùng mức MRR tương đương, điều này được cho là do chi phí năng lượng cho việc cung cấp LN2. Dù vậy, việc tuổi bền dụng cụ được kéo dài đáng kể và giảm thời gian không cắt (thay dao, điều chỉnh) đã dẫn đến mức tăng năng suất ròng khoảng 20% trên mỗi chi tiết gia công đối với các bộ phận cấu trúc phức tạp, bù đắp cho mức phạt SCE này.

4 Thảo luận
Sự giảm sút đáng kể của mài mòn dụng cụ quan sát được khi sử dụng làm mát cryogenic LN2 xung phù hợp với các cơ chế đã được xác lập: LN2 hiệu quả trong việc kìm hãm nhiệt độ cao trong vùng cắt, vốn là đặc trưng của quá trình gia công titan, từ đó làm giảm các cơ chế mài mòn khuếch tán và bám dính thường xảy ra với dụng cụ carbide [4, 5]. Việc cung cấp theo xung có khả năng tăng cường khả năng thâm nhập vào vùng tiếp xúc giữa dao và phoi đồng thời giảm tiêu hao LN2 không cần thiết. Thành công của phương pháp phay trochoidal thích nghi, đặc biệt đối với các thành mỏng, bắt nguồn từ việc duy trì mức độ ăn khớp hướng tâm gần như không đổi và lực cắt giảm thiểu, qua đó làm giảm độ võng của dụng cụ và rung động của chi tiết gia công [6]. Điều này trực tiếp mang lại độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt được cải thiện.

Một hạn chế quan trọng của nghiên cứu này là nó tập trung vào Ti-6Al-4V. Mặc dù phổ biến, các hợp kim titan khác (ví dụ: Ti-5553, các hợp kim gần-beta) thể hiện các đặc tính gia công khác nhau; những phát hiện ở đây cần được kiểm chứng cho các vật liệu đó. Hơn nữa, các tác động kinh tế và môi trường từ việc áp dụng rộng rãi LN2 cryogenic cần được đánh giá chu kỳ sống cẩn thận, cân bằng giữa tiết kiệm dụng cụ và lợi ích về năng suất với chi phí/dấu chân carbon trong sản xuất và vận chuyển LN2.

Đối với thực tiễn sản xuất hàng không, những kết quả này mạnh mẽ ủng hộ:

1. Áp dụng Gia công Cryogenic Xung: Đối với các hoạt động phay titan quan trọng, kéo dài, đặc biệt là giai đoạn cắt thô và bán tinh, nhằm tối đa hóa tuổi thọ dụng cụ và độ tin cậy quy trình.

2. Áp dụng Đường chạy dao Thích nghi: Đặc biệt là các chiến lược trochoidal cho việc hoàn thiện các cấu trúc hàng không có thành mỏng để nâng cao độ nguyên vẹn bề mặt, độ chính xác kích thước và năng suất.

3. Tích hợp Giám sát Tình trạng Dụng cụ: Việc sử dụng tín hiệu công suất trục chính cung cấp một phương pháp tích hợp vào máy móc, mang lại tính thực tiễn để dự đoán mài mòn dụng cụ và chủ động lên lịch thay thế, giảm nguy cơ phế phẩm.

5 Kết luận
Nghiên cứu này trình bày các chiến lược hiệu quả nhằm nâng cao hiệu suất gia công CNC của vật liệu Ti-6Al-4V cho các ứng dụng kết cấu hàng không đòi hỏi cao. Giải pháp làm mát bằng nitơ lỏng cryogenic theo xung giúp giảm đáng kể mài mòn dao cắt nhanh - yếu tố hạn chế chính, từ đó cho phép duy trì tốc độ cắt cao hơn và kéo dài tuổi thọ dụng cụ. Đường chạy dao phay trochoidal thích ứng cải thiện độ hoàn thiện bề mặt, độ chính xác kích thước (đặc biệt với các thành mỏng) và nâng cao năng suất tổng thể so với các đường chạy dao song song truyền thống. Mối tương quan giữa việc giám sát công suất trục chính và mức độ mài mòn dao cung cấp một phương pháp kiểm soát trong quá trình gia công khả thi. Những phát hiện này mang lại các giải pháp có thể áp dụng trực tiếp cho các nhà sản xuất hàng không đang tìm cách cải thiện hiệu quả, độ tin cậy và chất lượng trong sản xuất các bộ phận từ titan. Hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào tối ưu hóa các thông số cung cấp chất làm mát cryogenic (thiết kế đầu phun, thời điểm phát xung), mở rộng phương pháp cho các hợp kim titan hiệu suất cao khác, đồng thời thực hiện các phân tích toàn diện về mặt kinh tế-kỹ thuật và tác động môi trường của việc triển khai công nghệ gia công cryogenic.