Prelucrarea pieselor din titan, componente ale structurilor aerospaiale, utiliznd strategii de prelucrare classice si moderne .

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.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 (figurile 1 i 2).

Figura 1

Figura 2Frezele 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.Calitatea de carbur ISCAR IC900, excepional, acoperit PVD-TiAlN, confer proprieti mecanice inegalabile, care fac din aceast frez monobloc alegerea ideal pentru frezarea trohoidal.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).Beneficiile operaiei costuri reduseUnul dintre beneficii este acela c pot fi prelucrate canale mai late dect diametrul sculei utilizate. Aceasta nseamn n fapt c mai multe tipo-dimensiuni de canale pot fi realizate cu o aceeai scul, ntr-un mod foarte eficient. Deoarece adncimea de achiere n sens radial este foarte mic, pot fi utilizate capete de frezat cu pas fin, oferind posibilitatea mririi considerabile a avansului i a vitezei de achiere, cu mult peste valorile obinuite utilizate n frezrile clasice de canal.Frezarea trohoidal provocri de programareSoft-urile convenionale de programare CNC nu pot genera un program care s realizeze n practic frezarea trohoidal. Pn nu demult, singura soluie de realizare a acestei metode era ca programatorul s codifice manual micrile complexe necesare. n orice caz, programatorul nu putea s verifice efectiv programul fr a l transpune n practic, pe main. Din acest motiv, metoda frezrii trohoidale se aplic destul de rar.Recent, dezvoltatorii de soft-uri CAM au adugat parametri dedicai frezrii trohoidale, reuind astfel s reduc timpul necesar crerii programului CNC adecvat acestei operaii. De asemenea aceste noi dezvoltri permit programatorului s simuleze grafic procesul de achiere.Faptul c aceast metod de frezare este mult mai rapid dect metoda convenional l-au demonstrat n primul rnd testrile.Un exemplu edificator privind diferena de productivitate dintre frezarea trohoidal i cea clasic, bazat pe reducerea timpului de ciclu i n final tradus n reducerea costurilor l reprezint urmtorul studiu de caz, avnd n prim-plan frezele ISCAR CHATTERFREE.Studiu de caz: prelucrarea 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.