Prelucrarea cu viteze mari in industria aeronautica

Giuroiu CatalinGrupa 642 AACuprins

I. GeneralitiII.Motivaii ale achierii cu viteze mariIII. Materiale folosite in industria aeronauticIV. Analiza comparativ intre prelucrarile clasice si strunjirea dura cu viteze mariV. Maini CNC folosite pentru prelucrareVI. Scule folosite pentru prelucrareVII. Studiu de caz: prelucrarea unei pieseVIII. Bibliografie

I. Generaliti

Achierea cu vitez mare este o operaie de ndeprtare de material cu viteze de achiere care, pentru un material dat, sunt de dou pn la cinci ori mai ridicate dect cele convenionale utilizate pentru acelai material.

Dezvoltarea i evoluia fireasc a proceselor de prelucrare plecnd de la viteze de achiere de zeci de metri pe minut n anul 1800, pn la 100 m/min n anul 1900, o mie de metri pe minut n 1980 sau cteva mii n 1994 au impus implicit i o tendin de studiere continu a acestor procese sub aspectul elementelor ce concur nemijlocit la realizarea lor, a condiiilor lor de desfurare, a nivelului regimurilor de lucru. Necesitatea de a ameliora condiiile economice i tehnice ale procesului de achiere n general, cumulat cu cererile tot mai stringente pe plan mondial n ultimii ani n domeniul aeronauticii, care utilizeaz materiale cu proprieti superioare din punct de vedere mecanic (n special aliaje metalice), a impus i o metod nou de prelucrare, cunoscut sub numele de "achiere cu vitez mare"( HSM ).La viteze mai mari de lucru ns toate fenomenele fizice ale procesului de achiere sunt esenial modificate i mai puin studiate. A aprut astfel necesitatea continurii cercetrilor teoretice i experimentale efectuate n decursul anilor pentru viteze mici de achiere i pentru viteze mai mari.Eforturile de raionalizare ntreprinse n ultimii 10 -20 de ani, constante i totdeauna de actualitate, au fost concentrate spre reducerea timpilor neproductivi i creterea productivitii prin intensificarea parametrilor regimului de lucru. ntre acetia pot fi menionai adncimea de achiere (t), avansul de achiere (s) i viteza principal de achiere (v), care determin i volumul " V " de material ndeprtat n unitatea de timp, conform relaiei (1) . V = t*s*v [mm3/min] ( 1 )

II. Motivaii ale achierii cu viteze mari

Creterea productivitii prin creterea vitezei a fost impus de progresele teoriei achierii i de cele din domenii aflate n relaie direct cu procesul de achiere. n consecin viteza mare a fost impus prin:

-apariia comenzii electronice,totdeauna mai perfecionat i mai puin scump dect comanda tradiional;

-apariia mainilor cu comand numeric de mare flexibilitate tehnologic i ideal pentru fabricarea seriilor mici i medii de piese;

-necesitatea rentabilizrii produciei;

-necesitatea unor timpi de fabricaie redui;

-nevoia unei caliti superioare pentru suprafeele prelucrate;

-nevoia micorrii stocurilor de piese;

-nevoia reducerii timpului de stocare a mijloacelor circulante pe perioada ct are loc fabricatia.

III. Materiale folosite in industria aeronautic

Utilizarea aliajelor de titan n structurile aerospaiale a crescut permanent ncepnd cu anii 1980, cnd au fost introduse n proiectele militare, pentru ca ulterior s fie adoptate i n cele ale aeronavelor comerciale. Aliajele de titan sunt la mare concuren cu cele de aluminiu, nichel i fier, n ambele domenii: al structurilor militare i al celor comerciale. Aplicaiile acoper o gam variat de piese de structur de la componente masive, crora li se aplic n funcionare sarcini mari, structuri forjate pentru aripi i componente de trenuri de aterizare, pn la componente mici, accesorii critice, arcuri sau elemente hidraulice. Deoarece se folosesc din ce n ce mai multe produse din titan, dar i metode de prelucrare moderne adecvate, utilizarea titanului se extinde rapid n industria aeronautic.Complexitatea pieselor de prelucrat i continua solicitare deosebit pentru realizarea acestor operaii n condiii de eficien maxim, a dus la dezvoltarea unor noi tehnologii, soluii, metode de prelucrare, menite s asiste ntreprinderile mici i medii. Scopul este ca i acestea s fie competitive n acest domeniu dificil. ISCAR a dezvoltat scule moderne pentru strunjire, frezare i prelucrarea gurilor, asistate de carburile cele mai performante existente pe pia, geometrii inovatoare i sprgtoare de achii unice; aceste soluii complexe duc la realizarea n condiii de siguran a profilelor complicate, asigurnd n acelai timp toleranele strnse impuse.Caracteristicile speciale care fac din titan un material unic Selectarea titanului pentru aplicaii din domeniul aeronautic este rezultatul faptului c proprietile sale sunt apropiate de cele ale metalelor, cum ar fi: raport favorabil rezisten/greutate siguran rezisten la coroziune proprieti mecanice constante n timp gradul de deformare la diferene de temperaturCaracteristicile titanului n prelucrare i limitele saleAliajul de titan 6Al-4V este cel mai popular material n industria aerospaial, datorit greutii specifice reduse i a proprietilor mecanice deosebite.Prelucrarea titanului necesit dezvoltarea unor fore achietoare net superioare celor utilizate la prelucrarea oelurilor. n acelai timp, caracteristicile metalurgice ale aliajelor de titan fac prelucrarea lor mult mai dificil dect cea a oelurilor cu duritate echivalent.Este cunoscut faptul c, n prelucrare, titanul dezvolt o component de duritate. n consecin, este necesar un unghi mare de forfecare, pentru obinerea unei achii subiri care s tangenteze scula pe o suprafaa ct mai redus. n plus, forele mari dezvoltate n achiere, combinate cu frecarea generat de alunecarea achiei formate, genereaz o cantitate mare de cldur, concentrat pe o zon restrns a suprafeei sculei achietoare. Caracteristica cea mai important a cldurii generate n proces este aceea c, din cauza conductivitii termice reduse, aceasta nu se disipeaz uor n atmosfer. De aceea, o cantitate mare de cldur rmne localizat undeva la limita dintre muchia achietoare i suprafaa de degajare. Combinaia dintre forele mari generate i cldura excesiv duce la producerea unei uzuri de tip crater, n imediata apropiere a muchiei achietoare, avnd ca rezultat distrugerea rapid i total a sculei.Titanul are modulul de elasticitate relativ redus. Altfel spus, este mai elastic dect oelul, se comport ca un arc i are tendina s se ndeprteze de scula achietoare. De aceea, pentru a fi meninut n achiere, fie utilizm regimuri achietoare intensive, fie reuim s aducem n sistem fore suplimentare de mpingere, care s contracareze reacia natural a materialului. Piesele cu perei subiri au tendina s se deformeze sub aciunea forelor de presiune generate de scul, rezultatul fiind apariia vibraiilor, deteriorarea sculei i nerespectarea toleranelor dimensionale.Cheia rezolvrii problemei va fi deci mrirea rigiditii ntregului sistem i utilizarea sculelor cu muchii achietoare foarte ascuite i cu geometrie specific, adaptat corect prelucrrii titanului.Pentru ca lucrurile s se complice suplimentar, aliajele de titan au tendin foarte puternic de a se combina sau de a reaciona chimic cu componentele existente n scule achietoare, n special la temperaturile la care au loc achierile. Rezultatul final nefavorabil este acela c fragmente de pan se sudeaz pe muchia achietoare.

IV. Analiza comparativ intre prelucrarile clasice si strunjirea dura cu viteze mari

Strunjirea face parte din categoria prelucrrilor cu geometrie regulat i este cea mai utilizat prelucrare n domeniu,prelucrndu-se de regul piese de revoluie.Principala micare de achiere este executat de ctre semifabricat,micarea de avans fiind executat de scul,n ambele cazuri micrile fiind continue.n construcia de maini piesele care conin suprafee de revoluie au o pondere nsemnat, cele mai caracteristice fiind arborii i bucele, fapt care justific rspndirea pe care o au n prezent prelucrrile prin strunjire. Prin operaii de strunjire se pot prelucra suprafee cilindrice i conice (exterioare i interioare), frontale, filete, etc.,ca urmare a combinrii micrii principale a semifabricatului cu micrile de avans longitudinal sau transversal ale cuitului. Utilizarea de dispozitive speciale permite i strunjirea altor forme de suprafee de revoluie. Astfel, este posibil prelucrarea suprafeelor sferice, dac micarea de avans a sculei se realizeaz pe o traiectorie circular, sau a suprafeelor profilate prin deplasarea simultan a cuitului pe direcie longitudinal i transversal, rezultnd o traiectorie corespunztoare profilului piesei. Pe strung se mai pot prelucra i corpuri care nu sunt de rotaie dac, se imprim sculei cu ajutorul unor dipozitive speciale, pe lng micare de avans longitudinal i o micare radial efectuat dup o anumit lege, obinndu-se astfel piese cu seciune oval, ptrat sau de alt form.Mainile-unelte cu comand numeric sunt echipamente n care operarea diferitelor componente este realizat de un echipament de comand numeric pe baza unui program. Un program (denumit i program-pies) const dintr-o succesiune ordonat de instruciuni (denumite i linii sau blocuri). Fiecare linie conine informaii codificate folosind litere, cifre i cteva caractere speciale. Echipamentele de comand numeric actuale sunt practic calculatoare de calitate industrial avnd un microprocesor, memorie (ROM i RAM), unitate de disc (HDD), ecran, tastatur, conectori de comunicaie .a. Mainile-unelte cu comand numeric permit realizarea precis i productiv a reperelor, indiferent de complexitatea acestora. Este de remarcat chiar faptul c prelucrarea reperelor complexe este realizat cu prioritate pe astfel de maini, mai ales n varianta includerii lor n sisteme tehnologice de fabricaie asistat de calculator. n principal, beneficiile utilizrii mainilor cu comand numeric sunt urmtoarele :-reglarea mai rapid a sistemului tehnologic;-timp mai redus de alimentare a postului de lucru;-creterea preciziei i a repetabilitii;-posibilitatea realizrii formelor complexe;-simplificarea sistemului de scule; -reducerea timpului de prelucrare.

Scula achietoare este factorul determinant n reuita prelucrrii prin achiere a materialelor dure, care fa de sculele strunjirii clasice prezint unele particulariti n ceea ce privete partea activ, dar i geometria acesteia. Principalele cerine impuse materialului sculei achietoare, n cazul strunjirii cu viteze mari a materialelor dure, sunt:-tenacitatea;-rezistena la compresiune;-rezistena la ncovoiere;-rezistena la uzur;-rezistena la ocuri termice; -stabilitatea chimic

IV. Maini CNC folosite pentru prelucrareNoile CTX delta 4000 / 6000 TC deschid orizontul spre noi perspective n prelucrarea pieselor de mari dimensiuni pentru o prelucrare complet de strunjire i frezare, pn la 6m lungime de mainare n 5 axe.Odat cu noile mega-centre CTX delta 4000 TC i CTX delta 6000 TC, DMG i face o intrare impresionant pe piaa centrelor de mari dimensiuni pentru strunjit i frezat. Cu lungimi de strunjire de 4150 mm sau 6150 mm respectiv un diametru maxim de strunjire de 1070 mm, aceste dou inovaii sporesc succesul deja consacratei serii de centre de strunjit i frezat de la DMG.Utilizatorii din domeniile industriei energetice, construcii de maini sau alte industrii speciale cum ar fi echipamentele pentru producia de automobile, motoare de mari dimensiuni, tipografie sau industrie naval, vor fi foarte interesai de modelele CTX delta 4000/6000 TC.Structura mecanic de baz a acestor dou modele corespunde, n mare, cu modelul NT6000, rezultat al colaborrii cu partenerul DMG, Mori Seiki. Totui CTX delta 4000/6000 TC se prezint ca modele de sine-stttoare avnd toate caracteristicile cu care DMG i-a obinuit n ultima perioad clienii: design DMG, conceptul de comand numeric DMG ERGOline control cu ecranul color de mari dimensiuni (19). n particular GILDEMEISTER s-a focalizat pe comanda numeric Siemens 840D Solutionline n care a instalat un nou soft de programare - ShopTurn 3G.Pe lng programarea foarte simpl, care este ajutat foarte mult de un suport grafic 3D, ShopTurn 3G, n relaie cu puterea mare de calcul a comenzii numerice, permite simularea n timp real aceast performan permind asigurarea unei caliti nalte a prelucrrii i rezultate perfecte n mainare nc de la prima pies. Mai mult, comanda numeric ofer o interfa foarte prietenoas ce permite un setup rapid i sigur al mainii, la care se adaug o interfa Ethernet pentru a mri viteza de schimbare a datelor i informaiilor n cadrul reelei de calculatoare a clientului, ct i pentru uurarea diagnosticrii i remedierii erorilor care ar putea aprea n procesul de prelucrare. De asemenea, interfaa Ehternet ajut la realizarea de la distan a unei pri din mentenana preventiv.

Noi particulariti de design ale mega-centelor CTX delta 4000/6000 TC sunt reprezentate de ppua mobil i de versiunile contra-arbore, de coloana deplasabil extrem de rigid (pentru capul de frezat), de acionrile portal de nalt precizie pe axele X i Z, ct i de axa B pentru strunjire i frezare care are acionare DirectDrive i poate parcurge (controlat n mod continuu) un interval de 120.Un alt avantaj al noii serii CTX delta TC l reprezint magazia de scule cu sistemul pendular de schimbare a sculei. Acesta alimenteaz cu scule capul din zona de lucru, iar deja din standard se ofer 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 ofer, ca opiune, magazii de tip lan 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 pn la lansarea acestei noi serii CTX delta TC). n cazul CTX delta TC, sculele, care pot fi depozitate n magazia standard, pot ajunge la lungimi de pn la 600 mm i greuti de pn la 30 de kg.Date tehnice: CTX delta 4000/ 6000 TC

Diam. max. de rotire peste batiumm1070

Diam. max. de strunjiremm1070

Comanda numericSiemens 840D Sol.

Cursa pe axa Ymm330

Cursa pe axa Zmm4.150 / 6.150

Momentul (40% DC) - strunjireNm3254

Puterea (40% DC) - strunjirekW52

Turaia max. strunjirerot/min1500

Momentul (40% DC) - frezareNm260

Puterea (40% DC) - frezarekW34

Turatia max. frezarerot/min12000

Nr. scule (prindere HSK-100A sau Capto 8)Nr. scule (prindere HSK-100A sau Capto 8)buc50

V. Scule folosite pentru prelucrare

Frezarea trohoidal soluie modern pentru ndeprtarea de volume mari de materialO strategie care ctig din ce n ce mai mult teren n prelucrarea titanului, cu scopul de a produce volume ct mai mari de achii n unitatea de timp este frezarea trohoidal. Prelucrarea buzunarelor, fie ele adnci sau nu, atunci cnd o realizm n titan, este o sarcin dificil. La momentul iniial, o zon mare a sculei este n contact cu materialul piesei, deci forele de achiere i cldura degajat au nivel ridicat. Al doilea element important este ncrcarea inegal pe dinii frezei. Aceasta este mare n zona n care freza avanseaz rapid n material i sczut n alte zone. Ultimul punct pe care dorim s l menionm este evacuarea panului, mai ales atunci cnd freza umple aproape toat limea canalului cu achii. Volumul rmas liber este redus, evacuarea panului se face greoi, astfel nct ansele apariiei fenomenului de re-tiere sunt ridicate.Centrul ISCAR de Cercetare-Dezvoltare a semnalat potenialul ridicat al frezrii trohoidale n ultimii ani i de aceea a accelerat dezvoltarea liniei frezelor cilindro-frontale monobloc din carbur, precum i a frezelor tip porumb pentru creterea productivitii, atunci cnd se utilizeaz plcue amovibile.Astfel, metoda frezrii trohoidale poate fi aplicat utiliznd o varietate larg de scule ISCAR.n primul rnd, pentru obinerea unor performane ridicate, constante i sigure, recomandm utilizarea liniei ISCAR de freze cilindro-frontale CHATTERFREE, n cazul construciei monobloc. n mod egal, recomandm utilizarea soluiilor HELIDO sau HELIMILL, cu plcue amovibile.Provocarea pe care o ridic prelucrarea n titan este cu att mai mare atunci cnd canalele de realizat sunt relativ adnci n raport cu limea. n acest caz crete dificultatea evacurii panului. Mai mult, atunci cnd canalele sunt curbate, evacuarea este i mai greoaie, comparativ cu situaia n care ele sunt drepte.Dificultile descrise mai sus duc la necesitatea adaptrii regimului de achiere, n sensul scderii avansului i a adncimii de achiere cnd prelucrm canale, pentru a preveni apariia vibraiilor i distrugerea prematur a sculelor. Consecina imediat este scderea productivitii. Chiar i la avansuri mici, durabilitatea tinde s scad, atunci cnd prelucrm canale.Frezarea trohoidal soluie potenialTrohoidala sau altfel spus, spirala, aceast metod de frezare reprezint o soluie potenial a problemei. Ideea de baz este s programm o succesiune de traiectorii circulare pentru scula de frezare i s i imprimm i avans n material, odat cu fiecare cerc parcurs.Avantajul cheie al acestei metode l reprezint faptul c numai o zon redus din scula achietoare este n contact permanent cu materialul de prelucrat. Avansul este n permanen constant. n plus, acest tip de frezare permite utilizarea unei freze cu diametru mai mic dect limea canalului de prelucrat lsnd astfel spaiu liber necesar evacurii panului (figura 1).

Figura 1

Frezele cilindro-frontale ISCAR CHATTERFREE - antivibratoare, cu pas variabil - nu numai c elimin vibraiile armonice pe parcursul prelucrrii, dar s-au dovedit extrem de eficiente n penetrarea din plin a buzunarelor, reuind s produc volume mari de achii n timp scurt.Un bonus suplimentar al frezelor CHATERFREE l reprezint i durabilitatea superioar a muchiei, rezultat tot din nivelul redus al vibraiilor.Frezele CHATTERFREE pot prelucra fr probleme canale n plin, cu adncimi de achiere de pn la 2xD, n configuraii cu 4 sau 5 dini, chiar atunci cnd avem la dispoziie maini de puteri mici, cu sisteme de prindere ISO40 sau BT40, fr a fi cu nimic compromis productivitatea foarte ridicat.Exist, de asemenea, soluii alternative cu plcue amovibile, ca de exemplu liniile ISCAR HELIDO sau HELIMILL, aceleai plcue putnd fi montate i pe freze de tip porumb. Atunci cnd scula multi-dinte se angajeaz n prelucrarea de tip trohoidal, fiecare muchie achietoare n parte penetreaz materialul cu un nivel minim de cldur generat i eforturi asociate. Avantajul utilizrii frezelor cu multe plcue, tip porumb, l reprezint avansul pe dinte deosebit de ridicat, care se traduce n final n productivitate excepional.n ciuda potenialului su ridicat, frezarea trohoidal aduce provocri serioase. Traiectoria pe care trebuie s o imprimm sculei este complicat, nu orice soft de programare a comenzii numerice putnd-o transpune n practic. n plus, maina-unealt trebuie s fie foarte rigid i suficient de rapid, pentru a putea realiza acest tip de prelucrare. De asemenea, scula n sine trebuie s poat achia la viteze foarte ridicate i s i reziste n contact cu materialele greu prelucrabile.Agresivitatea operaiei n sine e dictat de fapt de rigiditatea mainii-unelte. Ceilali factori importani sunt mrimea sculei, tipul materialului de prelucrat i adncimea de achiere.Ideea care st la baza acestei metode este utilizarea de viteze i avansuri foarte ridicate. Grosimea achiilor produse la angajarea sculei n material este maxim, pentru ca s descreasc progresiv ctre finele operaiei (frezare n urcare).

VII. Studiu de caz: prelucrarea unei piesePrelucrarea unei piese din titan industria aeronautic frezare trohoidalMetoda amplific impresionant productivitatea n special n cazul frezrilor de canale. n practica obinuit, la prelucrarea n plin a unui canal, se utilizeaz un avans de aproximativ 20% din avansul utilizat la frezarea de umr. Metoda frezrii trohoidale ofer posibilitatea utilizrii unui avans de pn la 80% din avansul utilizat la frezarea umerilor.Intenia a fost de a demonstra cum reuete aceast metod s reduc tensiunile i nivelul cldurii degajate n prelucrare. n ciuda faptului c raportul de testare evideniaz viteze i avansuri mult mai mari dect n prelucrrile clasice ale canalelor, uzura sculei s-a dezvoltat n mod similar.

Material: Titanium Ti-6Al-4V(Grade 5), recoptFrezare trohoidalFrez cilindro-frontal ISCAR: ECH160B32-6C16Calitate carbur:IC900Diametru frez: 16mmVc = 115m/minFz = 0.12mm/dinteAp = 22mmAe = 1-1.5mmLichid rcire: emulsieTimp prelucrare pies: 33 minDurabilitate: 4 pieseTipul conului de prindere: BT40Observaii: reducere substanial a ncrcrii axului mainii-unelte. Funcionarea mainii n prelucrare a fost uoar, silenioas.Frezare convenionalFrez cilindro-frontal ISCAR:EFS-B4416-34W16-92Calitatea carburii:IC900Diametrul sculei:16mmVc = 45m/minFz = 0.04mm/dinteAe = 12 mmAp = 12mmLichid rcire: emulsieDurabilitate: 4 pieseTimp de prelucrare 1 pies: 55minTipul conului de prindere: BT40

VIII. Bibliografie

1.CONTRIBUII TEORETICE I EXPERIMENTALE PRIVIND STRUNJIREA CU VITEZE MARI-elaborat de doamna inginer Carmen Cezarina Ionescu (Burlibaa) n vederea conferirii titlului tiinific de doctor inginer2. www.ttonline.ro

3. www.mariusblog.ro

4. www.dmgmoriseiki.com