Production of titanium structural parts for aeroplanes - Requirements for high performance milling -

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1 Production of titanium structural parts for aeroplanes - Requirements for high performance milling - Prof. Dr.-Ing. B. Denkena, T. Grove Hannover, April 12th 2013

2 Structure Titanium a high performance material in aviation Tool geometry for efficient titanium milling Optimized process strategies Part deflection of structural parts Seite 2

3 Material distribution in modern aircraft generations Seite 3

4 Kontaktkorrosion zwischen Titan und CFK Seite 4

5 High performance milling of aluminum and titanium material: tool diameter: rotational speed: cutting velocity: feed per tooth: cutting depth: tooth engagement: material removal rate: Al7075 D = 20 mm n = 18,500 min -1 v c = 1160 m/min f z = 0.25 mm a p = 20 mm a e = 20 mm Q w = 5.6 l/min TiAl6V4 (b-annealed) D = 25 mm n = 828 min -1 v c = 65 m/min f z = mm a p = 50 mm a e = 8 mm Q w = l/min Gr IFW Seite 5

6 challenges in the cutting of titanium Seite 6

7 Structure Titanium a high performance material in aviation Tool geometry for efficient titanium milling Optimized process strategies Part deflection of structural parts Seite 7

8 Terms at the milling tool corner radius r e tool face peripheral cutting edge flute clearance face helix angle d Gr IFW Seite 8

9 Influence of the rake angle on the tool wear Seite 9

10 Structure Titanium a high performance material in aviation Tool geometry for efficient titanium milling Optimized process strategies Part deflection of structural parts Seite 10

11 process strategy and tool performance cemented carbide is very resistant against pressure but less resistant against tensile loads on the tool exit the material adhesion leads to high tensilecompressive alternating loads high uncut chip thickness values enhance this behaviour and result in strong tool wear - the uncut chip thickness is to be minimized for the tool exit + [source: Sandvik] a e = 0.7 x D Gr IFW Seite 11

12 tool entry strategies: videos linear tool entry roll-on entry cutting edge exit: large uncut chip thickness as a result high vibrations and enhanced tool wear zero uncut chip thickness for the cutting edge exit reduced tool load Gr IFW Seite 12

13 Structure Titanium a high performance material in aviation Tool geometry for efficient titanium milling Optimized process strategies Part deflection of structural parts Seite 13

14 Process chain: structural titanium parts Seite 14

15 Part quality and residual stresses Seite 15

16 Eigenspannungen bei der Titanbearbeitung Seite 16

17 Part temperature during milling Seite 17

18 Large scale example titanium door frame deformation in Z: 1 m mm deformation after machining one side residual stress: d = 300 µm σ ll = -150 N/mm² σ = -100 N/mm² FE model: 457,818 nodes 2,063,440 elements 40,587 tool movements calculation time of 8h on 8 2,4GHz [Premium Aerotec GmbH] Dre/65363 IFW Seite 18

19 Large scale example titanium door frame deformation in Z: 1 m mm z x y deformation after machining both sides residual stress: d = 300 µm σ ll = -150 N/mm² σ = -100 N/mm² FE Model: 457,818 nodes 2,063,440 elements 40,587 tool movements calculation time of 8h on 8 2,4GHz [Premium Aerotec GmbH] Dre/65363 IFW Seite 19

20 Summary the properties of titanium alloys predestine them for aeronatical parts, however they result in hard machinability cutting materials with high temperature strength are essential to enhance tool life the uncut chip thickness has to be minimized for the cutting edge exit by e. g. roll-on-entry and down-milling one major drawback, the part distortion of large structural components can be faced with adopted process strategies Seite 20

21 Acknowledgement Project QualiTi (WB ): Verfahren zur Modellierung der Einflüsse auf die Werkstückqualität bei der Fräsbearbeitung von Titan Project Leistungssteigerung beim Fräsen von Titan durch Werkzeugentwicklung Seite 21

22 Kontakt Das IFW - Ihr Partner rund um die Fertigungstechnik Bei Fragen zu den vorgestellten sowie weiteren Themen helfen wir Ihnen gerne weiter. Kontaktdaten Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena Tel Dipl.-Ing. Thilo Grove Tel Eingang des Produktionstechnischen Zentrums Hannover (PZH) mit Gebäuden des IFW Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) Produktionstechnisches Zentrum, Leibniz Universität Hannover An der Universität Garbsen Seite 22

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