Prelucrarea cu viteze mari in industria aeronautica
Giuroiu Catalin Grupa 642 AA
Cuprins
I. Generalităţi II.Motivaţii ale aşchierii cu viteze mari III. Materiale folosite in industria aeronautică IV. Analiza comparativă intre prelucrarile clasice si strunjirea dura cu viteze mari V. Maşini CNC folosite pentru prelucrare VI. Scule folosite pentru prelucrare VII. Studiu de caz: prelucrarea unei piese VIII. Bibliografie
I.
Generalităţi
Aşchierea cu viteză mare este o operaţie de îndepărtare de material cu
viteze de aşchiere care, pentru un material dat, sunt de două până la cinci ori mai ridicate decât cele convenţionale utilizate pentru acelaşi material. Dezvoltarea şi evoluţia firească a proceselor de prelucrare plecând de la viteze de aşchiere de zeci de metri pe minut în anul 1800, până la 100 m/min în anul 1900, o mie de metri pe minut în 1980 sau câteva mii în 1994 au impus implicit şi o tendinţă de studiere continuă a acestor procese sub aspectul elementelor ce concură nemijlocit la realizarea lor, a condiţiilor lor de desfăşurare, a nivelului regimurilor de lucru. Necesitatea de a ameliora condiţiile economice şi tehnice ale procesului de aşchiere în general, cumulată cu cererile tot mai stringente pe plan mondial în ultimii ani în domeniul aeronauticii, care utilizează materiale cu proprietăţi superioare din punct de vedere mecanic (în special aliaje metalice), a impus şi o metodă nouă de prelucrare, cunoscută sub numele de "aşchiere cu viteză mare"( HSM ). La viteze mai mari de lucru însă toate fenomenele fizice ale procesului de aşchiere sunt esenţial modificate şi mai puţin studiate. A apărut astfel necesitatea continuării cercetărilor teoretice şi experimentale efectuate în decursul anilor pentru viteze mici de aşchiere şi pentru viteze mai mari.Eforturile de raţionalizare întreprinse în ultimii 10 -20 de ani, constante şi totdeauna de actualitate, au fost concentrate spre reducerea timpilor neproductivi şi creşterea productivităţii prin intensificarea parametrilor regimului de lucru. Între aceştia pot fi menţionaţi adâncimea de aşchiere (t), avansul de aşchiere (s) şi viteza principală de aşchiere (v), care determină şi volumul " V " de material îndepărtat în unitatea de timp, conform relaţiei (1) . V = t*s*v [mm3/min]
(1)
II.
Motivaţii ale aşchierii cu viteze mari
Creşterea productivităţii prin creşterea vitezei a fost impusă de progresele teoriei aşchierii şi de cele din domenii aflate în relaţie directă cu procesul de aşchiere. În consecinţă viteza mare a fost impusă prin: -apariţia comenzii electronice,totdeauna mai perfecţionată şi mai puţin scumpă decât comanda tradiţională; -apariţia maşinilor cu comandă numerică de mare flexibilitate tehnologică şi ideală pentru fabricarea seriilor mici şi medii de piese; -necesitatea rentabilizării producţiei; -necesitatea unor timpi de fabricaţie reduşi; -nevoia unei calităţi superioare pentru suprafeţele prelucrate; -nevoia micşorării stocurilor de piese; -nevoia reducerii timpului de stocare a mijloacelor circulante pe perioada cât are loc fabricatia.
III.
Materiale folosite in industria aeronautică
Utilizarea aliajelor de titan în structurile aerospaţiale a crescut permanent începând cu anii 1980, când au fost introduse în proiectele militare, pentru ca ulterior să fie adoptate şi în cele ale aeronavelor comerciale. Aliajele de titan sunt la mare concurenţă cu cele de aluminiu, nichel şi fier, în ambele domenii: al structurilor militare şi al celor comerciale. Aplicaţiile acoperă o gamă variată de piese de structură de la componente masive, cărora li se aplică în funcţionare sarcini mari, structuri forjate pentru aripi şi componente de trenuri de aterizare, până la componente mici, accesorii critice, arcuri sau elemente hidraulice. Deoarece se folosesc din ce în ce mai multe produse din titan, dar şi metode de prelucrare moderne adecvate, utilizarea titanului se extinde rapid în industria aeronautică.Complexitatea pieselor de prelucrat şi continua solicitare deosebită pentru realizarea acestor operaţii în condiţii de eficienţă maximă, a dus la dezvoltarea unor noi tehnologii, soluţii, metode de prelucrare, menite să asiste întreprinderile mici şi medii. Scopul este ca şi acestea să fie competitive în acest domeniu dificil. ISCAR a dezvoltat scule moderne pentru strunjire, frezare şi prelucrarea găurilor, asistate de carburile cele mai performante existente pe piaţă, geometrii inovatoare şi spărgătoare de aşchii unice; aceste soluţii complexe duc la realizarea în condiţii de siguranţă a profilelor complicate, asigurând în acelaşi timp toleranţele strânse impuse.
Caracteristicile speciale care fac din titan un material unic
Selectarea titanului pentru aplicaţii din domeniul aeronautic este rezultatul faptului că proprietăţile sale sunt apropiate de cele ale metalelor, cum ar fi:
raport favorabil rezistenţă/greutate siguranţă rezistenţă la coroziune proprietăţi mecanice constante în timp gradul de deformare la diferenţe de temperatură
Caracteristicile titanului în prelucrare și limitele sale
Aliajul de titan 6Al-4V este cel mai popular material în industria aerospaţială, datorită greutăţii specifice reduse şi a proprietăţilor mecanice deosebite. Prelucrarea titanului necesită dezvoltarea unor forţe aşchietoare net superioare celor utilizate la prelucrarea oţelurilor. În acelaşi timp, caracteristicile metalurgice ale aliajelor de titan fac prelucrarea lor mult mai dificilă decât cea a oţelurilor cu duritate echivalentă. Este cunoscut faptul că, în prelucrare, titanul dezvoltă o componentă de duritate. În consecinţă, este necesar un unghi mare de forfecare, pentru obţinerea unei aşchii subţiri care să tangenteze scula pe o suprafaţa cât mai redusă. În plus, forţele mari dezvoltate în aşchiere, combinate cu frecarea generată de alunecarea aşchiei formate, generează o cantitate mare de căldură, concentrată pe o zonă restrânsă a suprafeţei sculei aşchietoare. Caracteristica cea mai importantă a căldurii generate în proces este aceea că, din cauza conductivităţii termice reduse, aceasta nu se disipează uşor în atmosferă. De aceea, o cantitate mare de căldură rămâne localizată undeva la limita dintre muchia aşchietoare şi suprafaţa de degajare. Combinaţia dintre forţele mari generate şi căldura excesivă duce la producerea unei uzuri de tip crater, în imediata apropiere a muchiei aşchietoare, având ca rezultat distrugerea rapidă şi totală a sculei. Titanul are modulul de elasticitate relativ redus. Altfel spus, este mai elastic decât oţelul, se comportă ca un arc şi are tendinţa să se îndepărteze de scula aşchietoare. De aceea, pentru a fi menţinut în aşchiere, fie utilizăm regimuri aşchietoare intensive, fie reuşim să aducem în sistem forţe suplimentare de împingere, care să contracareze reacţia naturală a materialului. Piesele cu pereţi subţiri au tendinţa să se deformeze sub acţiunea forţelor de presiune generate de sculă, rezultatul fiind apariţia vibraţiilor, deteriorarea sculei şi nerespectarea toleranţelor dimensionale.
Cheia rezolvării problemei va fi deci mărirea rigidităţii întregului sistem şi utilizarea sculelor cu muchii aşchietoare foarte ascuţite şi cu geometrie specifică, adaptată corect prelucrării titanului.Pentru ca lucrurile să se complice suplimentar, aliajele de titan au tendinţă foarte puternică de a se combina sau de a reacţiona chimic cu componentele existente în scule aşchietoare, în special la temperaturile la care au loc aşchierile. Rezultatul final nefavorabil este acela că fragmente de şpan se sudează pe muchia aşchietoare.
IV. Analiza comparativă intre prelucrarile clasice si strunjirea dura cu viteze mari
Strunjirea face parte din categoria prelucrărilor cu geometrie regulată şi este cea mai utilizată prelucrare în domeniu,prelucrându-se de regulă piese de revoluţie.Principala mişcare de aşchiere este executată de către semifabricat,mişcarea de avans fiind executată de sculă,în ambele cazuri mişcările fiind continue.În construcţia de maşini piesele care conţin suprafeţe de revoluţie au o pondere însemnată, cele mai caracteristice fiind arborii şi bucşele, fapt care justifică răspândirea pe care o au în prezent prelucrările prin strunjire. Prin operaţii de strunjire se pot prelucra suprafeţe cilindrice şi conice (exterioare şi interioare), frontale, filete, etc.,ca urmare a combinării mişcării principale a semifabricatului cu mişcările de avans longitudinal sau transversal ale cuţitului. Utilizarea de dispozitive speciale permite şi strunjirea altor forme de suprafeţe de revoluţie. Astfel, este posibilă prelucrarea suprafeţelor sferice, dacă mişcarea de avans a sculei se realizează pe o traiectorie circulară, sau a suprafeţelor profilate prin deplasarea simultană a cuţitului pe direcţie longitudinală şi transversală, rezultând o traiectorie corespunzătoare profilului piesei. Pe strung se mai pot prelucra şi corpuri care nu sunt de rotaţie dacă, se imprimă sculei cu ajutorul unor dipozitive speciale, pe lângă mişcare de avans longitudinal şi o mişcare radială efectuată după o anumită lege, obţinându-se astfel piese cu secţiune ovală, pătrată sau de altă formă. Maşinile-unelte cu comandă numerică sunt echipamente în care operarea diferitelor componente este realizată de un echipament de comandă numerică pe baza unui program. Un program (denumit şi program-piesă) constă dintr-o succesiune ordonată de instrucţiuni (denumite şi linii sau
blocuri). Fiecare linie conţine informaţii codificate folosind litere, cifre şi câteva caractere speciale. Echipamentele de comandă numerică actuale sunt practic calculatoare de calitate industrială având un microprocesor, memorie (ROM şi RAM), unitate de disc (HDD), ecran, tastatură, conectori de comunicaţie ş.a. Maşinile-unelte cu comandă numerică permit realizarea precisă şi productivă a reperelor, indiferent de complexitatea acestora. Este de remarcat chiar faptul că prelucrarea reperelor complexe este realizată cu prioritate pe astfel de maşini, mai ales în varianta includerii lor în sisteme tehnologice de fabricaţie asistată de calculator. În principal, beneficiile utilizării maşinilor cu comandă numerică sunt următoarele : -reglarea mai rapidă a sistemului tehnologic; -timp mai redus de alimentare a postului de lucru; -creşterea preciziei şi a repetabilităţii; -posibilitatea realizării formelor complexe; -simplificarea sistemului de scule; -reducerea timpului de prelucrare. Scula aşchietoare este factorul determinant în reuşita prelucrării prin aşchiere a materialelor dure, care faţă de sculele strunjirii clasice prezintă unele particularităţi în ceea ce priveşte partea activă, dar şi geometria acesteia. Principalele cerinţe impuse materialului sculei aşchietoare, în cazul strunjirii cu viteze mari a materialelor dure, sunt: -tenacitatea; -rezistenţa la compresiune; -rezistenţa la încovoiere; -rezistenţa la uzură; -rezistenţa la şocuri termice; -stabilitatea chimică
IV.
Maşini CNC folosite pentru prelucrare
Noile CTX delta 4000 / 6000 TC deschid orizontul spre noi perspective în prelucrarea pieselor de mari dimensiuni – pentru o prelucrare completă de strunjire şi frezare, până la 6m lungime de maşinare în 5 axe. Odată cu noile mega-centre CTX delta 4000 TC şi CTX delta 6000 TC, DMG îşi face o intrare impresionantă pe piaţa centrelor de mari dimensiuni pentru strunjit şi frezat. Cu lungimi de strunjire de 4150 mm sau 6150 mm respectiv un diametru maxim de strunjire de 1070 mm, aceste două inovaţii sporesc succesul deja consacratei serii de centre de strunjit şi frezat de la DMG. Utilizatorii din domeniile industriei energetice, construcţii de maşini sau alte industrii speciale cum ar fi echipamentele pentru producţia de automobile, motoare de mari dimensiuni, tipografie sau industrie navală, vor fi foarte interesaţi de modelele CTX delta 4000/6000 TC. Structura mecanică de bază a acestor două modele corespunde, în mare, cu modelul NT6000, rezultat al colaborării cu partenerul DMG, Mori Seiki. Totuşi CTX delta 4000/6000 TC se prezintă ca modele de sine-stătătoare având toate caracteristicile cu care DMG şi-a obişnuit în ultima perioadă clienţii: design DMG, conceptul de comandă numerică DMG ERGOline® control cu ecranul color de mari dimensiuni (19”). În particular GILDEMEISTER s-a focalizat pe comanda numerică Siemens 840D Solutionline în care a instalat un nou soft de programare - ShopTurn 3G®. Pe lângă programarea foarte simplă, care este ajutată foarte mult de un suport grafic 3D, ShopTurn 3G, în relaţie cu puterea mare de calcul a comenzii numerice, permite simularea în timp real – această performanţă permiţând asigurarea unei calităţi înalte a prelucrării şi rezultate perfecte în maşinare încă de la prima piesă. Mai mult, comanda numerică oferă o interfaţă foarte prietenoasă ce permite un setup rapid şi sigur al maşinii, la care se adaugă o interfaţă Ethernet pentru a mări viteza de schimbare a datelor şi informaţiilor în cadrul reţelei de calculatoare a clientului, cât şi pentru uşurarea diagnosticării şi remedierii erorilor care ar putea apărea în procesul de prelucrare. De asemenea, interfaţa Ehternet ajută la realizarea de la distanţă a unei părţi din mentenanţa preventivă.
Noi particularităţi de design ale mega-centelor CTX delta 4000/6000 TC sunt reprezentate de păpuşa mobilă şi de versiunile contra-arbore, de coloana deplasabilă extrem de rigidă (pentru capul de frezat), de acţionările portal de înaltă precizie pe axele X şi Z, cât şi de axa B pentru strunjire şi frezare care are acţionare DirectDrive şi poate parcurge (controlată în mod continuu) un interval de ±120°. Un alt avantaj al noii serii CTX delta TC îl reprezintă magazia de scule cu sistemul pendular de schimbare a sculei. Acesta alimentează cu scule capul din zona de lucru, iar deja din standard se oferă o magazie pentru 50 de scule cu prindere Capto C8 sau HSK 100A. Timpul de setup pentru scule a fost astfel redus sub 10 secunde.
Pornind de la acest aspect, DMG oferă, ca opţiune, magazii de tip lanţ cu 100, 140 sau 180 de posturi – valori care sunt deja socotite foarte mari de utilizatorii modelor CTX gamma TC (cel mai mare model al DMG până la lansarea acestei noi serii CTX delta TC). În cazul CTX delta TC, sculele, care pot fi depozitate în magazia standard, pot ajunge la lungimi de până la 600 mm şi greutăţi de până la 30 de kg.
Date tehnice: CTX delta 4000/ 6000 TC
Diam. max. de rotire peste batiu
mm
1070
Diam. max. de strunjire
mm
1070
Comanda numerică
Siemens 840D Sol.
Cursa pe axa Y
mm
±330
Cursa pe axa Z
mm
4.150 / 6.150
Momentul (40% DC) - strunjire
Nm
3254
Puterea (40% DC) - strunjire
kW
52
Turaţia max. strunjire
rot/min
Momentul (40% DC) - frezare
Nm
260
Puterea (40% DC) - frezare
kW
34
Turatia max. frezare
rot/min
Nr. scule (prindere HSK-100A sau Capto buc 8)Nr. scule (prindere HSK-100A sau Capto 8)
1500
12000 50
V.
Scule folosite pentru prelucrare
Frezarea trohoidală – soluție modernă pentru îndepărtarea de volume mari
de material
O strategie care câştigă din ce în ce mai mult teren în prelucrarea titanului, cu scopul de a produce volume cât mai mari de aşchii în unitatea de timp este frezarea trohoidală. Prelucrarea buzunarelor, fie ele adânci sau nu, atunci când o realizăm în titan, este o sarcină dificilă. La momentul iniţial, o zonă mare a sculei este în contact cu materialul piesei, deci forţele de aşchiere şi căldura degajată au nivel ridicat. Al doilea element important este încărcarea inegală pe dinţii frezei. Aceasta este mare în zona în care freza avansează rapid în material şi scăzută în alte zone. Ultimul punct pe care dorim să îl menţionăm este evacuarea şpanului, mai ales atunci când freza umple aproape toată lăţimea canalului cu aşchii. Volumul rămas liber este redus, evacuarea şpanului se face greoi, astfel încât şansele apariţiei fenomenului de re-tăiere sunt ridicate. Centrul ISCAR de Cercetare-Dezvoltare a semnalat potenţialul ridicat al frezării trohoidale în ultimii ani şi de aceea a accelerat dezvoltarea liniei frezelor cilindro-frontale monobloc din carbură, precum şi a frezelor tip porumb pentru creşterea productivităţii, atunci când se utilizează plăcuţe amovibile. Astfel, metoda frezării trohoidale poate fi aplicată utilizând o varietate largă de scule ISCAR. În primul rând, pentru obţinerea unor performanţe ridicate, constante şi sigure, recomandăm utilizarea liniei ISCAR de freze cilindro-frontale CHATTERFREE, în cazul construcţiei monobloc. În mod egal, recomandăm utilizarea soluţiilor HELIDO sau HELIMILL, cu plăcuţe amovibile.Provocarea pe care o ridică prelucrarea în titan este cu atât mai mare atunci când canalele de realizat sunt relativ adânci în raport cu lăţimea. În acest caz creşte dificultatea evacuării şpanului. Mai mult, atunci când canalele sunt curbate, evacuarea este şi mai greoaie, comparativ cu situaţia în care ele sunt drepte. Dificultăţile descrise mai sus duc la necesitatea adaptării regimului de aşchiere, în sensul scăderii avansului şi a adâncimii de aşchiere când prelucrăm canale, pentru a preveni apariţia vibraţiilor şi distrugerea prematură a sculelor.
Consecinţa imediată este scăderea productivităţii. Chiar şi la avansuri mici, durabilitatea tinde să scadă, atunci când prelucrăm canale.
Frezarea trohoidală – soluție potențială
Trohoidala sau altfel spus, spirala, această metodă de frezare reprezintă o soluţie potenţială a problemei. Ideea de bază este să programăm o succesiune de traiectorii circulare pentru scula de frezare şi să îi imprimăm şi avans în material, odată cu fiecare cerc parcurs. Avantajul cheie al acestei metode îl reprezintă faptul că numai o zonă redusă din scula aşchietoare este în contact permanent cu materialul de prelucrat. Avansul este în permanenţă constant. În plus, acest tip de frezare permite utilizarea unei freze cu diametru mai mic decât lăţimea canalului de prelucrat lăsând astfel spaţiu liber necesar evacuării şpanului (figura 1).
Figura 1
Frezele cilindro-frontale ISCAR CHATTERFREE - antivibratoare, cu pas variabil - nu numai că elimină vibraţiile armonice pe parcursul prelucrării, dar s-au dovedit extrem de eficiente în penetrarea din plin a buzunarelor, reuşind să producă volume mari de aşchii în timp scurt.Un bonus suplimentar al f rezelor CHATERFREE îl reprezintă şi durabilitatea superioară a muchiei, rezultată tot din nivelul redus al vibraţiilor. Frezele CHATTERFREE pot prelucra fără probleme canale în plin, cu adâncimi de aşchiere de până la 2xD, în configuraţii cu 4 sau 5 dinţi, chiar atunci când avem la dispoziţie maşini de puteri mici, cu sisteme de prindere ISO40 sau BT40, fără a fi cu nimic compromisă productivitatea foarte ridicată. Există, de asemenea, soluţii alternative cu plăcuţe amovibile, ca de exemplu liniile ISCAR HELIDO sau HELIMILL, aceleaşi plăcuţe putând fi montate şi pe freze de tip porumb. Atunci când scula multi-dinte se angajează în prelucrarea de tip trohoidal, fiecare muchie aşchietoare în parte penetrează materialul cu un nivel minim de căldură generată şi eforturi asociate. Avantajul utilizării frezelor cu multe plăcuţe, tip porumb, îl reprezintă avansul pe dinte deosebit de ridicat, care se traduce în final în productivitate excepţională. În ciuda potenţialului său ridicat, frezarea trohoidală aduce provocări serioase. Traiectoria pe care trebuie să o imprimăm sculei este complicată, nu orice soft de programare a comenzii numerice putând-o transpune în practică. În plus, maşina-unealtă trebuie să fie foarte rigidă şi suficient de rapidă, pentru a putea realiza acest tip de prelucrare. De asemenea, scula în sine trebuie să poată aşchia la viteze foarte ridicate şi să şi reziste în contact cu materialele greu prelucrabile. Agresivitatea operaţiei în sine e dictată de fapt de rigiditatea maşiniiunelte. Ceilalţi factori importanţi sunt mărimea sculei, tipul materialului de prelucrat şi adâncimea de aşchiere. Ideea care stă la baza acestei metode este utilizarea de viteze şi avansuri foarte ridicate. Grosimea aşchiilor produse la angajarea sculei în material este maximă, pentru ca să descrească progresiv către finele operaţiei (frezare în urcare).
VII. Studiu de caz: prelucrarea unei piese Prelucrarea unei piese din titan – industria aeronautică frezare trohoidală Metoda amplifică impresionant productivitatea în special în cazul frezărilor de canale. În practica obişnuită, la prelucrarea în plin a unui canal, se utilizează un avans de aproximativ 20% din avansul utilizat la frezarea de umăr. Metoda frezării trohoidale oferă posibilitatea utilizării unui avans de până la 80% din avansul utilizat la frezarea umerilor. Intenţia a fost de a demonstra cum reuşeşte această metodă să reducă tensiunile şi nivelul căldurii degajate în prelucrare. În ciuda faptului că raportul de testare evidenţiază viteze şi avansuri mult mai mari decât în prelucrările clasice ale canalelor, uzura sculei s-a dezvoltat în mod similar.
Material: Titanium Ti-6Al-4V(Grade 5), recopt Frezare trohoidală
Freză cilindro-frontală ISCAR: ECH160B32-6C16 Calitate carbură:IC900 Diametru freză: 16mm Vc = 115m/min Fz = 0.12mm/dinte Ap = 22mm Ae = 1-1.5mm Lichid răcire: emulsie
Timp prelucrare piesă: 33 min Durabilitate: 4 piese Tipul conului de prindere: BT40 Observaţii: reducere substanţială a încărcării axului maşinii-unelte. Funcţionarea maşinii în prelucrare a fost uşoară, silenţioasă.
Frezare convențională
Freză cilindro-frontală ISCAR:EFS-B4416-34W16-92 Calitatea carburii:IC900 Diametrul sculei:16mm Vc = 45m/min Fz = 0.04mm/dinte Ae = 12 mm Ap = 12mm Lichid răcire: emulsie Durabilitate: 4 piese Timp de prelucrare 1 piesă: 55min Tipul conului de prindere: BT40
VIII. Bibliografie
1.’’CONTRIBUŢII TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE PRIVIND STRUNJIREA CU VITEZE MARI”-elaborată de doamna inginer Carmen Cezarina Ionescu (Burlibaşa) în vederea conferirii titlului ştiinţific de doctor inginer 2. www.ttonline.ro 3. www.mariusblog.ro 4. www.dmgmoriseiki.com
