Производња металних делова по наруџбини са 5-осном машинском обрадом

Производња металних делова по наруџбини са 5-осном машинском обрадом

Аутор:ПФТ, Шенжен

Апстракт:Напредна производња захтева све сложеније, високопрецизне металне компоненте у ваздухопловном, медицинском и енергетском сектору. Ова анализа процењује могућности модерне 5-осне рачунарске нумеричке контроле (CNC) обраде у испуњавању ових захтева. Користећи референтне геометрије репрезентативне за сложена импелера и лопатице турбина, спроведена су испитивања обраде, упоређујући 5-осне са традиционалним 3-осним методама на титанијуму ваздухопловног квалитета (Ti-6Al-4V) и нерђајућем челику (316L). Резултати показују смањење времена обраде од 40-60% и побољшање храпавости површине (Ra) до 35% са 5-осном обрадом, што се може приписати смањеном подешавању и оптимизованој оријентацији алата. Геометријска тачност за карактеристике унутар толеранције ±0,025 мм повећана је у просеку за 28%. Иако захтева значајно почетно стручно знање у програмирању и инвестиције, 5-осна обрада омогућава поуздану производњу раније неизводљивих геометрија са супериорном ефикасношћу и завршном обрадом. Ове могућности позиционирају 5-осну технологију као неопходну за израду високо вредних, сложених металних делова по мери.

1. Увод
Неуморна тежња ка оптимизацији перформанси у индустријама као што су ваздухопловство (захтева лакше, чвршће делове), медицина (захтева биокомпатибилне, пацијенту специфичне имплантате) и енергетика (потребна је сложена компонента за руковање флуидима) померила је границе сложености металних делова. Традиционална троосна CNC обрада, ограничена ограниченим приступом алатима и вишеструким потребним подешавањима, бори се са сложеним контурама, дубоким шупљинама и карактеристикама које захтевају сложене углове. Ова ограничења доводе до угрожене тачности, продуженог времена производње, виших трошкова и ограничења дизајна. До 2025. године, могућност ефикасне производње високо сложених, прецизних металних делова више није луксуз већ конкурентска нужност. Модерна петоосна CNC обрада, која нуди истовремену контролу над три линеарне осе (X, Y, Z) и две ротационе осе (A, B или C), представља трансформативно решење. Ова технологија омогућава алату за сечење да приступи радном предмету из практично било ког правца у једном подешавању, фундаментално превазилазећи ограничења приступа својствена троосној обради. Овај чланак испитује специфичне могућности, квантификоване предности и практична разматрања имплементације петоосне обраде за производњу металних делова по мери.

2. Методе
2.1 Дизајн и бенчмаркинг
Два референтна дела су дизајнирана коришћењем Siemens NX CAD софтвера, отелотворујући уобичајене изазове у производњи по наруџбини:

Импелер:Са сложеним, увијеним сечивима са високим односом ширине и висине и уским размацима.

Лопатица турбине:Укључујући сложене закривљености, танке зидове и прецизне површине за монтажу.
Ови дизајни су намерно укључивали подрезе, дубоке џепове и елементе који захтевају неортогонални приступ алату, посебно циљајући на ограничења троосне обраде.

2.2 Материјали и опрема

Материјали:Титанијум ваздухопловног квалитета (Ti-6Al-4V, жарено стање) и нерђајући челик 316L су одабрани због своје релевантности у захтевним применама и посебних карактеристика обраде.

Машине:

5-осовина:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (Heidenhain TNC 640 управљачки систем).

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

Алат:За грубу и завршну обраду коришћена су обложена глодала од чврстог карбида (различитих пречника, са кугластим врхом и са равним врхом) произвођача Kennametal и Sandvik Coromant. Параметри резања (брзина, помак, дубина реза) оптимизовани су према материјалу и могућностима машине користећи препоруке произвођача алата и контролисане пробне резове.

Причвршћивање радног предмета:Прилагођени, прецизно обрађени модуларни уређаји осигурали су чврсто стезање и поновљиву локацију за оба типа машина. За троосне пробе, делови који захтевају ротацију ручно су премештени помоћу прецизних типлова, симулирајући типичну праксу у радионици. Петоосне пробе су користиле пуну ротациону способност машине у оквиру једног подешавања уређаја.

2.3 Прикупљање и анализа података

Време циклуса:Мерено директно са машинских тајмера.

Храпавост површине (Ra):Мерено помоћу профилометра Mitutoyo Surftest SJ-410 на пет критичних локација по делу. Три дела су обрађена по комбинацији материјала/машине.

Геометријска тачност:Скенирано помоћу Zeiss CONTURA G2 координатне мерне машине (CMM). Критичне димензије и геометријске толеранције (равност, управност, профил) упоређене су са CAD моделима.

Статистичка анализа:Просечне вредности и стандардне девијације су израчунате за време циклуса и мерења Ra. Подаци CMM су анализирани на одступања од номиналних димензија и стопе усклађености толеранција.

Табела 1: Резиме експерименталне поставке

3. Резултати и анализа
3.1 Повећање ефикасности
Петоосна обрада је показала значајне уштеде времена. За титанијумско импелер, петоосна обрада је смањила време циклуса за 58% у поређењу са троосном обрадом (2,1 сат у односу на 5,0 сати). Лопатица турбине од нерђајућег челика показала је смањење од 42% (1,8 сати у односу на 3,1 сат). Ови добици су првенствено резултат елиминисања вишеструких подешавања и повезаног времена ручног руковања/поновног фиксирања, и омогућавања ефикаснијих путања алата са дужим, континуираним резовима због оптимизоване оријентације алата.

3.2 Побољшање квалитета површине
Храпавост површине (Ra) се константно побољшавала петоосном обрадом. На сложеним површинама лопатица титанијумског импелера, просечне вредности Ra су смањене за 32% (0,8 µm у односу на 1,18 µm). Слична побољшања су примећена на лопатици турбине од нерђајућег челика (Ra је смањен за 35%, у просеку 0,65 µm у односу на 1,0 µm). Ово побољшање се приписује способности одржавања константног, оптималног контактног угла резања и смањеним вибрацијама алата кроз бољу крутост алата код краћих продужетака алата.

3.3 Побољшање геометријске тачности
Анализа помоћу ЦММ-а потврдила је супериорну геометријску тачност уз обраду на 5 оса. Проценат критичних карактеристика које су се налазиле у оквиру строге толеранције од ±0,025 мм значајно се повећао: за 30% за титанијумско импелер (постизање 92% усклађености у односу на 62%) и за 26% за лопатицу од нерђајућег челика (постизање 89% усклађености у односу на 63%). Ово побољшање произилази директно из елиминације кумулативних грешака уведених вишеструким подешавањима и ручним репозиционирањем потребним у процесу са 3 осе. Карактеристике које захтевају сложене углове показале су најдраматичније добитке у тачности.

*Слика 1: Упоредне метрике учинка (5-осни у односу на 3-осни)*

4. Дискусија
Резултати јасно утврђују техничке предности петоосне обраде за сложене металне делове по мери. Значајно смањење времена циклуса директно се преводи на ниже трошкове по делу и повећање производног капацитета. Побољшана завршна обрада површине смањује или елиминише секундарне операције завршне обраде попут ручног полирања, додатно смањујући трошкове и време испоруке, а истовремено побољшавајући конзистентност делова. Скок у геометријској тачности је кључан за високоперформансне примене попут ваздухопловних мотора или медицинских имплантата, где су функција и безбедност дела од највеће важности.

Ове предности првенствено произилазе из основне могућности 5-осне обраде: истовременог кретања по више оса, што омогућава обраду са једним подешавањем. Ово елиминише грешке изазване подешавањем и време руковања. Штавише, континуирана оптимална оријентација алата (одржавање идеалног оптерећења стругом и сила резања) побољшава завршну обраду површине и омогућава агресивније стратегије обраде тамо где то крутост алата дозвољава, доприносећи повећању брзине.

Међутим, практична примена захтева признавање ограничења. Капитална инвестиција за способну машину са 5 оса и одговарајући алат је знатно већа него за опрему са 3 осе. Сложеност програмирања расте експоненцијално; генерисање ефикасних путања алата са 5 оса без колизија захтева висококвалификоване CAM програмере и софистицирани софтвер. Симулација и верификација постају обавезни кораци пре обраде. Причвршћивачи морају да обезбеде и крутост и довољан простор за пуни ротациони помак. Ови фактори подижу ниво вештине потребан за оператере и програмере.

Практична импликација је јасна: 5-осна обрада је одлична за високовредне, сложене компоненте где њене предности у брзини, квалитету и могућностима оправдавају веће оперативне трошкове и инвестиције. За једноставније делове, 3-осна обрада остаје економичнија. Успех зависи од улагања у технологију и вешто особље, заједно са робусним CAM и алатима за симулацију. Рана сарадња између дизајна, производног инжењерства и машинске радионице је кључна за потпуно искоришћавање 5-осних могућности приликом пројектовања делова за производност (DFM).

5. Закључак
Модерна 5-осна CNC обрада пружа доказиво супериорно решење за производњу сложених, високопрецизних металних делова по мери у поређењу са традиционалним 3-осним методама. Кључни налази потврђују:

Значајна ефикасност:Смањење времена циклуса од 40-60% захваљујући обради са једним подешавањем и оптимизованим путањама алата.

Побољшани квалитет:Побољшање храпавости површине (Ra) до 35% захваљујући оптималној оријентацији алата и контакту.

Супериорна тачност:Просечно повећање од 28% у држању критичних геометријских толеранција унутар ±0,025 мм, елиминишући грешке из вишеструких подешавања.
Технологија омогућава производњу сложених геометрија (дубоке шупљине, подрези, сложене криве) које су непрактичне или немогуће уз троосну обраду, директно се бавећи растућим захтевима ваздухопловног, медицинског и енергетског сектора.

Да би се максимизирао повраћај инвестиције у 5-осну обраду, произвођачи би требало да се фокусирају на делове високе сложености и високе вредности где су прецизност и време испоруке кључни конкурентски фактори. Будући рад требало би да истражи интеграцију 5-осне обраде са метрологијом у процесу за контролу квалитета у реалном времену и обраду у затвореној петљи, додатно побољшавајући прецизност и смањујући отпад. Континуирано истраживање адаптивних стратегија обраде које користе 5-осну флексибилност за тешко обрадиве материјале попут инконела или каљених челика такође представља вредан правац.