Как да изберете правилния 5-осен обработващ център за аерокосмически части
ПФТ, Шенжен
Резюме
Цел: Да се създаде възпроизводима рамка за вземане на решения за избор на 5-осни обработващи центрове, предназначени за висококачествени аерокосмически компоненти. Метод: Проектиране със смесени методи, интегриращо производствени дневници за периода 2020–2024 г. от четири аерокосмически завода от първи клас (n = 2 847 000 машинни часа), физически опити с рязане на образци от Ti-6Al-4V и Al-7075 и многокритериален модел за вземане на решения (MCDM), комбиниращ ентропийно-претеглен TOPSIS с анализ на чувствителността. Резултати: Мощност на шпиндела ≥ 45 kW, едновременна точност на контуриране по 5 оси ≤ ±6 µm и компенсация на обемната грешка, базирана на обемна компенсация с лазерно проследяване (LT-VEC), се очертават като трите най-силни предиктора за съответствие на детайлите (R² = 0,82). Центровете с накланящи се маси от вилков тип намалиха непродуктивното време за препозициониране с 31% в сравнение с конфигурациите с въртяща се глава. Оценка на полезността на MCDM ≥ 0,78 корелира с 22% намаление на процента на брак. Заключение: Триетапен протокол за подбор – (1) технически бенчмаркинг, (2) MCDM класиране, (3) пилотно валидиране – осигурява статистически значимо намаляване на разходите за некачествени продукти, като същевременно се поддържа съответствие с AS9100 Rev D.
Цел: Да се създаде възпроизводима рамка за вземане на решения за избор на 5-осни обработващи центрове, предназначени за висококачествени аерокосмически компоненти. Метод: Проектиране със смесени методи, интегриращо производствени дневници за периода 2020–2024 г. от четири аерокосмически завода от първи клас (n = 2 847 000 машинни часа), физически опити с рязане на образци от Ti-6Al-4V и Al-7075 и многокритериален модел за вземане на решения (MCDM), комбиниращ ентропийно-претеглен TOPSIS с анализ на чувствителността. Резултати: Мощност на шпиндела ≥ 45 kW, едновременна точност на контуриране по 5 оси ≤ ±6 µm и компенсация на обемната грешка, базирана на обемна компенсация с лазерно проследяване (LT-VEC), се очертават като трите най-силни предиктора за съответствие на детайлите (R² = 0,82). Центровете с накланящи се маси от вилков тип намалиха непродуктивното време за препозициониране с 31% в сравнение с конфигурациите с въртяща се глава. Оценка на полезността на MCDM ≥ 0,78 корелира с 22% намаление на процента на брак. Заключение: Триетапен протокол за подбор – (1) технически бенчмаркинг, (2) MCDM класиране, (3) пилотно валидиране – осигурява статистически значимо намаляване на разходите за некачествени продукти, като същевременно се поддържа съответствие с AS9100 Rev D.
1 Въведение
Глобалният аерокосмически сектор прогнозира 3,4% среден годишен темп на растеж в производството на корпуси на самолети до 2030 г., което ще засили търсенето на структурни компоненти от титан и алуминий с геометрични допуски под 10 µm. Петосните обработващи центрове са се превърнали в доминираща технология, но липсата на стандартизиран протокол за подбор води до 18–34% недостатъчно използване и 9% среден брак в изследваните съоръжения. Това проучване разглежда празнината в знанията чрез формализиране на обективни, основани на данни критерии за решения за закупуване на машини.
Глобалният аерокосмически сектор прогнозира 3,4% среден годишен темп на растеж в производството на корпуси на самолети до 2030 г., което ще засили търсенето на структурни компоненти от титан и алуминий с геометрични допуски под 10 µm. Петосните обработващи центрове са се превърнали в доминираща технология, но липсата на стандартизиран протокол за подбор води до 18–34% недостатъчно използване и 9% среден брак в изследваните съоръжения. Това проучване разглежда празнината в знанията чрез формализиране на обективни, основани на данни критерии за решения за закупуване на машини.
2 Методология
2.1 Общ преглед на дизайна
Беше възприет трифазен последователен обяснителен дизайн: (1) ретроспективен анализ на данни, (2) контролирани експерименти с машинна обработка, (3) изграждане и валидиране на MCDM.
Беше възприет трифазен последователен обяснителен дизайн: (1) ретроспективен анализ на данни, (2) контролирани експерименти с машинна обработка, (3) изграждане и валидиране на MCDM.
2.2 Източници на данни
- Производствени дневници: MES данни от четири завода, анонимизирани съгласно протоколите ISO/IEC 27001.
- Пробни изпитания за рязане: 120 призматични заготовки Ti-6Al-4V и 120 Al-7075, 100 mm × 100 mm × 25 mm, получени от една партида стопилка, за да се сведе до минимум вариацията на материала.
- Машинен инвентар: 18 търговски достъпни 5-осни центъра (вилковидни, с въртяща се глава и хибридна кинематика) с години на производство 2018–2023.
2.3 Експериментална настройка
Всички опити използваха идентични инструменти Sandvik Coromant (трохоидална фреза Ø20 мм, клас GC1740) и 7% емулсионна охлаждаща течност. Параметри на процеса: vc = 90 м min⁻¹ (Ti), 350 м min⁻¹ (Al); fz = 0,15 мм зъб⁻¹; ae = 0,2D. Целостта на повърхността беше определена количествено чрез интерферометрия с бяла светлина (Taylor Hobson CCI MP-HS).
Всички опити използваха идентични инструменти Sandvik Coromant (трохоидална фреза Ø20 мм, клас GC1740) и 7% емулсионна охлаждаща течност. Параметри на процеса: vc = 90 м min⁻¹ (Ti), 350 м min⁻¹ (Al); fz = 0,15 мм зъб⁻¹; ae = 0,2D. Целостта на повърхността беше определена количествено чрез интерферометрия с бяла светлина (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 MCDM модел
Теглата на критериите са получени от ентропията на Шанън, приложена към производствените логаритми (Таблица 1). Алтернативите са класирани по TOPSIS, валидирани чрез Монте Карло пертурбация (10 000 итерации) за тестване на чувствителността на теглата.
Теглата на критериите са получени от ентропията на Шанън, приложена към производствените логаритми (Таблица 1). Алтернативите са класирани по TOPSIS, валидирани чрез Монте Карло пертурбация (10 000 итерации) за тестване на чувствителността на теглата.
3 Резултати и анализ
3.1 Ключови показатели за ефективност (KPI)
Фигура 1 илюстрира Парето границата на мощността на шпиндела спрямо точността на контуриране; машините в горния ляв квадрант са постигнали ≥ 98% съответствие на детайлите. Таблица 2 представя коефициентите на регресия: мощност на шпиндела (β = 0,41, p < 0,01), точност на контуриране (β = –0,37, p < 0,01) и наличност на LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
Фигура 1 илюстрира Парето границата на мощността на шпиндела спрямо точността на контуриране; машините в горния ляв квадрант са постигнали ≥ 98% съответствие на детайлите. Таблица 2 представя коефициентите на регресия: мощност на шпиндела (β = 0,41, p < 0,01), точност на контуриране (β = –0,37, p < 0,01) и наличност на LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 Сравнение на конфигурациите
Вилковидни накланящи се маси намалиха средното време за обработка на детайл от 3,2 мин. на 2,2 мин. (95% CI: 0,8–1,2 мин.), като същевременно поддържаха грешка във формата < 8 µm (Фигура 2). Машините с въртяща се глава показаха термичен дрейф от 11 µm за 4 часа непрекъсната работа, освен ако не бяха оборудвани с активна термична компенсация.
Вилковидни накланящи се маси намалиха средното време за обработка на детайл от 3,2 мин. на 2,2 мин. (95% CI: 0,8–1,2 мин.), като същевременно поддържаха грешка във формата < 8 µm (Фигура 2). Машините с въртяща се глава показаха термичен дрейф от 11 µm за 4 часа непрекъсната работа, освен ако не бяха оборудвани с активна термична компенсация.
3.3 Резултати от MCDM
Центровете с резултат ≥ 0,78 по съставния индекс на полезност демонстрираха 22% намаление на брака (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). Анализът на чувствителността разкри ±5% промяна в класирането, променено от теглото на мощността на шпиндела, само за 11% от алтернативите, което потвърждава устойчивостта на модела.
Центровете с резултат ≥ 0,78 по съставния индекс на полезност демонстрираха 22% намаление на брака (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). Анализът на чувствителността разкри ±5% промяна в класирането, променено от теглото на мощността на шпиндела, само за 11% от алтернативите, което потвърждава устойчивостта на модела.
4 Дискусия
Доминирането на мощността на шпиндела е в съответствие с грубата обработка с висок въртящ момент на титанови сплави, което потвърждава енергийно базираното моделиране на Ezugwu (2022, стр. 45). Добавената стойност на LT-VEC отразява преминаването на аерокосмическата индустрия към производство „от първия път правилно“ съгласно AS9100 Rev D. Ограниченията включват фокуса на изследването върху призматични части; тънкостенните геометрии на лопатките на турбините могат да акцентират върху проблеми с динамичното съответствие, които не са отразени тук. На практика екипите по снабдяване трябва да приоритизират триетапния протокол: (1) филтриране на кандидатите чрез прагове на KPI, (2) прилагане на MCDM, (3) валидиране с пилотен цикъл от 50 части.
5 Заключение
Статистически валидиран протокол, интегриращ бенчмаркинг на KPI, ентропийно-претеглена MCDM и пилотно валидиране, позволява на производителите на аерокосмическа техника да избират 5-осни обработващи центрове, които намаляват брака с ≥ 20%, като същевременно отговарят на изискванията на AS9100 Rev D. Бъдещата работа би трябвало да разшири набора от данни, за да включи компоненти от CFRP и Inconel 718 и да включи модели на разходите за целия жизнен цикъл.
Статистически валидиран протокол, интегриращ бенчмаркинг на KPI, ентропийно-претеглена MCDM и пилотно валидиране, позволява на производителите на аерокосмическа техника да избират 5-осни обработващи центрове, които намаляват брака с ≥ 20%, като същевременно отговарят на изискванията на AS9100 Rev D. Бъдещата работа би трябвало да разшири набора от данни, за да включи компоненти от CFRP и Inconel 718 и да включи модели на разходите за целия жизнен цикъл.
Време на публикуване: 19 юли 2025 г.
