Производство на метални делови по нарачка со 5-оска машинска обработка

Производство на метални делови по нарачка со 5-оска машинска обработка

Автор:ПФТ, Шенжен

Апстракт:Напредното производство бара сè посложени, високопрецизни метални компоненти во воздухопловниот, медицинскиот и енергетскиот сектор. Оваа анализа ги оценува можностите на модерната 5-оска компјутерска нумеричка контрола (CNC) за исполнување на овие барања. Користејќи референтни геометрии кои се репрезентативни за сложени работни кола и турбински лопатки, беа спроведени обиди за обработка споредувајќи ги 5-оските наспроти традиционалните 3-оски методи на титаниум од воздухопловна класа (Ti-6Al-4V) и не'рѓосувачки челик (316L). Резултатите покажуваат намалување од 40-60% во времето на обработка и подобрување на површинската грубост (Ra) до 35% со 5-оска обработка, што се должи на намалените поставувања и оптимизираната ориентација на алатот. Геометриската точност за карактеристики во рамките на толеранција од ±0,025 mm се зголеми за 28% во просек. Иако бара значителна однапред експертиза за програмирање и инвестиции, 5-оската обработка овозможува сигурно производство на претходно неизводливи геометрии со супериорна ефикасност и завршна обработка. Овие можности ја позиционираат 5-оската технологија како неопходна за производство на високо вредни, сложени метални делови по нарачка.

1. Вовед
Неуморната желба за оптимизација на перформансите низ индустриите како што се воздухопловството (кое бара полесни, посилни делови), медицината (кое бара биокомпатибилни, специфични за пациентот импланти) и енергијата (кое бара сложени компоненти за ракување со течности) ги помести границите на сложеноста на металните делови. Традиционалната 3-осна CNC обработка, ограничена со ограничен пристап до алатките и повеќекратни потребни поставувања, се бори со сложени контури, длабоки шуплини и карактеристики што бараат сложени агли. Овие ограничувања резултираат со компромитирана точност, продолжено време на производство, повисоки трошоци и ограничувања во дизајнот. До 2025 година, можноста за ефикасно производство на високо сложени, прецизни метални делови повеќе не е луксуз, туку конкурентна неопходност. Современата 5-осна CNC обработка, која нуди истовремена контрола на три линеарни оски (X, Y, Z) и две ротациони оски (A, B или C), претставува трансформативно решение. Оваа технологија му овозможува на алатот за сечење да се приближи до работниот дел од практично која било насока во една поставеност, фундаментално надминувајќи ги ограничувањата за пристап својствени за 3-осната обработка. Оваа статија ги испитува специфичните можности, квантифицираните предности и практичните аспекти на имплементација на 5-осната обработка за производство на метални делови по нарачка.

2. Методи
2.1 Дизајн и споредување
Два референтни делови беа дизајнирани со користење на софтверот Siemens NX CAD, отелотворувајќи ги вообичаените предизвици во производството по нарачка:

Работно коло:Се одликува со сложени, извиткани сечила со висок сооднос на ширина и мали празнини.

Сечило на турбина:Вклучувајќи сложени закривувања, тенки ѕидови и прецизно монтажни површини.
Овие дизајни намерно вклучуваа потсечоци, длабоки џебови и карактеристики што бараат неортогонален пристап до алатките, конкретно таргетирајќи ги ограничувањата на 3-оската машинска обработка.

2.2 Материјали и опрема

Материјали:Титаниум од воздухопловна класа (Ti-6Al-4V, жарена состојба) и не'рѓосувачки челик 316L беа избрани поради нивната релевантност во тешки апликации и различни карактеристики на машинската обработка.

Машини:

5-оска:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (контрола Heidenhain TNC 640).

3-оска:HAAS VF-4SS (HAAS NGC контрола).

Алатки:За груба обработка и завршна обработка беа користени глодалки со обложени цврст карбидни краеви (различни дијаметри, со топчест нос и со рамен крај) од Kennametal и Sandvik Coromant. Параметрите на сечење (брзина, довод, длабочина на сечење) беа оптимизирани според материјалот и можностите на машината со користење на препораките на производителот на алатки и контролирани тест сечења.

Работна потпора:Прилагодените, прецизно машински обработени модуларни тела обезбедија цврсто стегање и повторувачка локација за двата типа машини. За 3-оските испитувања, деловите што бараа ротација беа рачно преместени со прецизни штипки, симулирајќи типична пракса на работилницата. 5-оските испитувања ја искористија целосната ротациона способност на машината во рамките на една поставеност на тела.

2.3 Собирање и анализа на податоци

Време на циклус:Мерено директно од тајмерите на машината.

Рапавост на површината (Ra):Измерено со профилометар Mitutoyo Surftest SJ-410 на пет критични локации по дел. Три дела беа машински обработени по комбинација материјал/машина.

Геометриска точност:Скенирано со машина за мерење координати (CMM) Zeiss CONTURA G2. Критичните димензии и геометриските толеранции (рамнина, нормалност, профил) беа споредени со CAD модели.

Статистичка анализа:Просечните вредности и стандардните отстапувања беа пресметани за времето на циклусот и мерењата на Ra. Податоците од CMM беа анализирани за отстапување од номиналните димензии и стапките на усогласеност со толеранцијата.

Табела 1: Резиме на експерименталната поставеност

3. Резултати и анализа
3.1 Зголемување на ефикасноста
5-оската обработка покажа значителна заштеда на време. За титаниумското работно коло, 5-оската обработка го намали времето на циклусот за 58% во споредба со 3-оската обработка (2,1 час наспроти 5,0 часа). Сечилото на турбината од не'рѓосувачки челик покажа намалување од 42% (1,8 часа наспроти 3,1 час). Овие придобивки првенствено се резултат на елиминирање на повеќекратни поставувања и поврзаното време за рачно ракување/повторно прицврстување, како и овозможување поефикасни патеки на алатот со подолги, континуирани сечења поради оптимизирана ориентација на алатот.

3.2 Подобрување на квалитетот на површината
Рапавоста на површината (Ra) постојано се подобруваше со 5-оска обработка. На сложените површини на сечилата на титаниумското работно коло, просечните вредности на Ra се намалија за 32% (0,8 µm наспроти 1,18 µm). Слични подобрувања беа забележани и на сечилото од нерѓосувачки челик за турбина (Ra намален за 35%, во просек 0,65 µm наспроти 1,0 µm). Ова подобрување се припишува на способноста за одржување на константен, оптимален агол на контакт на сечење и намалени вибрации на алатот преку подобра цврстина на алатот кај пократки продолжетоци на алатот.

3.3 Подобрување на геометриската точност
CMM анализата потврди супериорна геометриска точност со 5-оска обработка. Процентот на критични карактеристики што се задржани во рамките на строгата толеранција од ±0,025 mm значително се зголеми: за 30% за титаниумското работно коло (постигнувајќи 92% усогласеност наспроти 62%) и за 26% за сечилото од не'рѓосувачки челик (постигнувајќи 89% усогласеност наспроти 63%). Ова подобрување произлегува директно од елиминирањето на кумулативните грешки воведени од повеќекратни поставувања и рачно преместување потребно во 3-оскиот процес. Карактеристиките што бараат сложени агли покажаа најдраматични подобрувања во точноста.

*Слика 1: Споредбени метрики за перформанси (5-оски наспроти 3-оски)*

4. Дискусија
Резултатите јасно ги утврдуваат техничките предности на 5-оската обработка за сложени метални делови по нарачка. Значителните намалувања на времето на циклусот директно се преведуваат во пониски трошоци по дел и зголемен производствен капацитет. Подобрената завршна обработка на површината ги намалува или елиминира секундарните операции на завршна обработка како што е рачното полирање, дополнително намалувајќи ги трошоците и времето на испорака, а воедно подобрувајќи ја конзистентноста на деловите. Скокот во геометриската точност е клучен за високо-перформансни апликации како што се воздухопловните мотори или медицинските импланти, каде што функцијата и безбедноста на деловите се од најголема важност.

Овие предности првенствено произлегуваат од основните можности на 5-оската обработка: истовремено повеќеосно движење што овозможува обработка со едно поставување. Ова ги елиминира грешките предизвикани од поставувањето и времето на ракување. Понатаму, континуираната оптимална ориентација на алатот (одржување на идеално оптоварување на струготини и сили на сечење) ја подобрува завршната обработка на површината и овозможува поагресивни стратегии за обработка каде што цврстината на алатот дозволува, придонесувајќи за зголемување на брзината.

Сепак, практичното усвојување бара признавање на ограничувањата. Капиталната инвестиција за способна 5-осна машина и соодветна алат е значително поголема отколку за 3-оска опрема. Сложеноста на програмирањето се зголемува експоненцијално; генерирањето ефикасни патеки на алати со 5 оски без судири бара висококвалификувани CAM програмери и софистициран софтвер. Симулацијата и верификацијата стануваат задолжителни чекори пред обработката. Фиксирањето мора да обезбеди и цврстина и доволен простор за целосно ротационо движење. Овие фактори го зголемуваат нивото на вештини потребни за операторите и програмерите.

Практичната импликација е јасна: 5-оската обработка е одлична за високо-вредни, сложени компоненти каде што нејзините предности во брзината, квалитетот и способноста ги оправдуваат повисоките оперативни режиски трошоци и инвестиции. За поедноставни делови, 3-оската обработка останува поекономична. Успехот зависи од инвестирањето и во технологија и во квалификуван персонал, заедно со робусни CAM и алатки за симулација. Раната соработка помеѓу дизајнот, производствениот инженеринг и машинската работилница е клучна за целосно искористување на 5-оските можности при дизајнирање делови за производство (DFM).

5. Заклучок
Современата 5-осна CNC обработка обезбедува очигледно супериорно решение за производство на сложени, високопрецизни метални делови по нарачка во споредба со традиционалните 3-оски методи. Клучните наоди потврдуваат:

Значајна ефикасност:Намалување на времето на циклусот од 40-60% преку машинска обработка со едно поставување и оптимизирани патеки на алатките.

Подобрен квалитет:Подобрувања на грубоста на површината (Ra) до 35% поради оптимална ориентација и контакт на алатот.

Супериорна точност:Просечно зголемување од 28% во држењето на критичните геометриски толеранции во рамките на ±0,025 mm, елиминирајќи ги грешките од повеќекратни поставувања.
Технологијата овозможува производство на сложени геометрии (длабоки шуплини, поткопувања, сложени кривини) кои се непрактични или невозможни со 3-оска машинска обработка, директно адресирајќи ги еволуирачките барања на воздухопловниот, медицинскиот и енергетскиот сектор.

За да се максимизира повратот на инвестицијата во 5-оските капацитети, производителите треба да се фокусираат на делови со висока сложеност и вредност каде што прецизноста и времето на испорака се критични конкурентски фактори. Идната работа треба да ја истражи интеграцијата на 5-оската машинска обработка со метрологија во процесот за контрола на квалитетот во реално време и машинска обработка со затворен циклус, дополнително подобрувајќи ја прецизноста и намалувајќи го отпадот. Континуираното истражување на адаптивни стратегии за машинска обработка што ја искористуваат 5-оската флексибилност за материјали што тешко се обработуваат како што се Inconel или стврднати челици, исто така, претставува вредна насока.