Производство на метални части по поръчка с 5-осна обработка

Производство на метални части по поръчка с 5-осна обработка

Автор:ПФТ, Шенжен

Резюме:Усъвършенстваното производство изисква все по-сложни, високопрецизни метални компоненти в аерокосмическия, медицинския и енергийния сектори. Този анализ оценява възможностите на съвременната 5-осна компютърно-цифрово програмно (CNC) обработка за посрещане на тези изисквания. Използвайки референтни геометрии, представителни за сложни работни колела и лопатки на турбини, бяха проведени опити за обработка, сравняващи 5-осни с традиционни 3-осни методи върху титан (Ti-6Al-4V) и неръждаема стомана (316L) от аерокосмически клас. Резултатите показват намаление с 40-60% на времето за обработка и подобрение на грапавостта на повърхността (Ra) до 35% при 5-осна обработка, което се дължи на намалени настройки и оптимизирана ориентация на инструментите. Геометричната точност за елементи в рамките на толеранс от ±0,025 мм се е увеличила средно с 28%. Въпреки че изисква значителен предварителен опит в програмирането и инвестиции, 5-осната обработка позволява надеждно производство на преди това неосъществими геометрии с превъзходна ефективност и завършеност. Тези възможности позиционират 5-осната технология като от съществено значение за производството на висококачествени, сложни метални части по поръчка.

1. Въведение
Непрестанният стремеж към оптимизация на производителността в индустрии като аерокосмическата (изискваща по-леки и по-здрави части), медицината (изискваща биосъвместими, специфични за пациента импланти) и енергетиката (изискваща сложни компоненти за работа с флуиди) разшири границите на сложността на металните части. Традиционната 3-осна CNC обработка, ограничена от ограничения достъп до инструменти и множество необходими настройки, се бори със сложни контури, дълбоки кухини и характеристики, изискващи сложни ъгли. Тези ограничения водят до компрометирана точност, удължено време за производство, по-високи разходи и дизайнерски ограничения. До 2025 г. възможността за ефективно производство на високосложни, прецизни метални части вече не е лукс, а конкурентна необходимост. Съвременната 5-осна CNC обработка, предлагаща едновременно управление на три линейни оси (X, Y, Z) и две ротационни оси (A, B или C), представлява трансформиращо решение. Тази технология позволява на режещия инструмент да се приближава до детайла от почти всяка посока с една настройка, като по същество преодолява ограниченията за достъп, присъщи на 3-осната обработка. Тази статия разглежда специфичните възможности, количествените предимства и практическите съображения за внедряване на 5-осната обработка за производство на метални части по поръчка.

2. Методи
2.1 Дизайн и бенчмаркинг
Две еталонни части бяха проектирани с помощта на CAD софтуера на Siemens NX, въплъщавайки често срещани предизвикателства в производството по поръчка:

Работно колело:С сложни, усукани остриета с високи съотношения на страните и малки хлабини.

Турбинна лопатка:Включва сложни извивки, тънки стени и прецизни монтажни повърхности.
Тези конструкции умишлено включваха подрязвания, дълбоки джобове и елементи, изискващи неортогонален достъп до инструмента, специално насочени към ограниченията на 3-осната обработка.

2.2 Материали и оборудване

Материали:Титан (Ti-6Al-4V, отгрято състояние) и неръждаема стомана 316L, използвани в аерокосмическата индустрия, бяха избрани заради тяхната приложимост във взискателни приложения и отличителни характеристики на обработка.

Машини:

5-осен:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (управление Heidenhain TNC 640).

3-осна:HAAS VF-4SS (контрол HAAS NGC).

Инструментална екипировка:За груба и чистова обработка бяха използвани покрити твърдосплавни фрези (различни диаметри, сферични и плоски) от Kennametal и Sandvik Coromant. Параметрите на рязане (скорост, подаване, дълбочина на рязане) бяха оптимизирани според материала и възможностите на машината, като се използваха препоръките на производителя на инструмента и контролирани тестови разрези.

Захващане на детайла:Специално изработени, прецизно обработени модулни приспособления осигуриха здраво затягане и повторяемо позициониране и за двата типа машини. За 3-осните изпитвания, частите, изискващи въртене, бяха ръчно препозиционирани с помощта на прецизни дюбели, симулирайки типична практика в цеха. 5-осните изпитвания използваха пълния ротационен капацитет на машината в рамките на една единствена настройка на приспособлението.

2.3 Събиране и анализ на данни

Време на цикъла:Измерва се директно от машинните таймери.

Грапавост на повърхността (Ra):Измерено с профилометър Mitutoyo Surftest SJ-410 на пет критични места за всеки детайл. Обработени са три детайла за всяка комбинация материал/машина.

Геометрична точност:Сканирано с помощта на координатно-измервателна машина (CMM) Zeiss CONTURA G2. Критичните размери и геометричните допуски (равнинност, перпендикулярност, профил) бяха сравнени с CAD модели.

Статистически анализ:Средните стойности и стандартните отклонения бяха изчислени за времето на цикъла и измерванията на Ra. Данните от CMM бяха анализирани за отклонение от номиналните размери и степен на съответствие с толерансите.

Таблица 1: Обобщение на експерименталната настройка

3. Резултати и анализ
3.1 Повишаване на ефективността
5-осната обработка демонстрира значителни икономии на време. За титаниевото работно колело, 5-осната обработка намали времето на цикъла с 58% в сравнение с 3-осната обработка (2,1 часа спрямо 5,0 часа). Лопатката на турбината от неръждаема стомана показа 42% намаление (1,8 часа спрямо 3,1 часа). Тези ползи се дължат главно на елиминирането на множеството настройки и свързаното с тях време за ръчна обработка/повторно закрепване, както и на позволяването на по-ефективни траектории на инструментите с по-дълги, непрекъснати разрези поради оптимизираната ориентация на инструмента.

3.2 Подобряване на качеството на повърхността
Грапавостта на повърхността (Ra) се подобрява постоянно при 5-осна обработка. Върху сложните повърхности на лопатките на титаниевото работно колело, средните стойности на Ra намаляват с 32% (0,8 µm спрямо 1,18 µm). Подобни подобрения са наблюдавани и върху лопатките на турбината от неръждаема стомана (Ra намалява с 35%, средно 0,65 µm спрямо 1,0 µm). Това подобрение се дължи на способността за поддържане на постоянен, оптимален ъгъл на контакт при рязане и намалени вибрации на инструмента чрез по-добра твърдост на инструмента при по-къси удължения на инструмента.

3.3 Подобряване на геометричната точност
CMM анализът потвърди превъзходна геометрична точност при 5-осна обработка. Процентът на критичните характеристики, задържани в рамките на строгия толеранс от ±0,025 мм, се увеличи значително: с 30% за титаниевото работно колело (постигайки 92% съответствие спрямо 62%) и с 26% за лопатката от неръждаема стомана (постигайки 89% съответствие спрямо 63%). Това подобрение произтича пряко от елиминирането на кумулативните грешки, въведени от множество настройки и ръчно препозициониране, необходимо в 3-осния процес. Характеристиките, изискващи комбинирани ъгли, показаха най-драстични подобрения в точността.

*Фигура 1: Сравнителни показатели за производителност (5-осен спрямо 3-осен)*

4. Дискусия
Резултатите ясно установяват техническите предимства на 5-осната обработка за сложни метални части по поръчка. Значителното намаляване на времето за цикъл се изразява директно в по-ниски разходи за детайл и повишен производствен капацитет. Подобрената повърхностна обработка намалява или елиминира вторичните довършителни операции като ръчно полиране, което допълнително намалява разходите и времето за изпълнение, като същевременно подобрява консистентността на детайлите. Скокът в геометричната точност е от решаващо значение за високопроизводителни приложения като аерокосмически двигатели или медицински импланти, където функцията и безопасността на детайлите са от първостепенно значение.

Тези предимства произтичат главно от основната способност на 5-осната обработка: едновременно многоосно движение, позволяващо обработка с една настройка. Това елиминира грешките, причинени от настройката, и времето за обработка. Освен това, непрекъснатата оптимална ориентация на инструмента (поддържане на идеално натоварване на стружката и сили на рязане) подобрява качеството на повърхността и позволява по-агресивни стратегии за обработка, където твърдостта на инструмента позволява, допринасяйки за повишаване на скоростта.

Практическото внедряване обаче изисква признаване на ограниченията. Капиталовата инвестиция за способна 5-осна машина и подходящо инструментално оборудване е значително по-висока, отколкото за 3-осно оборудване. Сложността на програмирането се увеличава експоненциално; генерирането на ефективни, без колизии 5-осни траектории на инструментите изисква висококвалифицирани CAM програмисти и сложен софтуер. Симулацията и проверката стават задължителни стъпки преди машинната обработка. Крепежните елементи трябва да осигуряват както твърдост, така и достатъчен клирънс за пълен ротационен ход. Тези фактори повишават нивото на умения, необходимо за операторите и програмистите.

Практическото значение е ясно: 5-осната обработка е отлична за висококачествени, сложни компоненти, където предимствата ѝ по отношение на скорост, качество и възможности оправдават по-високите оперативни разходи и инвестиции. За по-прости части, 3-осната обработка остава по-икономична. Успехът зависи от инвестирането както в технологии, така и в квалифициран персонал, заедно с надеждни CAM и симулационни инструменти. Ранното сътрудничество между проектирането, производствения инженеринг и машинния цех е от решаващо значение за пълното използване на 5-осните възможности при проектирането на части за производствена пригодност (DFM).

5. Заключение
Съвременната 5-осна CNC обработка предоставя демонстрирано превъзходно решение за производство на сложни, високопрецизни метални части по поръчка в сравнение с традиционните 3-осни методи. Ключови открития потвърждават:

Значителна ефективност:Намаляване на времето за цикъл с 40-60% чрез обработка с единична настройка и оптимизирани траектории на инструмента.

Подобрено качество:Подобрения в грапавостта на повърхността (Ra) до 35% благодарение на оптималната ориентация и контакт на инструмента.

Превъзходна точност:Средно 28% увеличение на задържането на критични геометрични допуски в рамките на ±0,025 мм, елиминирайки грешките от множество настройки.
Технологията позволява производството на сложни геометрии (дълбоки кухини, подрязвания, сложни криви), които са непрактични или невъзможни с 3-осна обработка, като директно отговаря на променящите се изисквания на аерокосмическия, медицинския и енергийния сектори.

За да се увеличи максимално възвръщаемостта на инвестициите в 5-осни възможности, производителите трябва да се съсредоточат върху високосложни, висококачествени части, където прецизността и времето за изпълнение са критични конкурентни фактори. Бъдещата работа трябва да проучи интеграцията на 5-осната обработка с метрология в процеса за контрол на качеството в реално време и обработка в затворен цикъл, което допълнително ще подобри прецизността и ще намали брака. Продължаващите изследвания на адаптивни стратегии за обработка, използващи 5-осната гъвкавост за трудни за обработка материали като Inconel или закалени стомани, също представляват ценна насока.