Izdelava kovinskih delov po meri s 5-osno obdelavo
Izdelava kovinskih delov po meri s 5-osno obdelavo
Avtor:PFT, Shenzhen
Povzetek:Napredna proizvodnja zahteva vse bolj kompleksne, visoko natančne kovinske komponente v vesoljskem, medicinskem in energetskem sektorju. Ta analiza ocenjuje zmogljivosti sodobne 5-osne računalniško numerično krmiljene (CNC) obdelave pri izpolnjevanju teh zahtev. Z uporabo referenčnih geometrij, ki predstavljajo kompleksna rotorja in lopatice turbin, so bili izvedeni poskusi obdelave, ki so primerjali 5-osne s tradicionalnimi 3-osnimi metodami na titanu (Ti-6Al-4V) in nerjavnem jeklu (316L) vesoljske kakovosti. Rezultati kažejo 40-60-odstotno zmanjšanje časa obdelave in izboljšanje hrapavosti površine (Ra) do 35 % s 5-osno obdelavo, kar je mogoče pripisati zmanjšanemu številu nastavitev in optimizirani orientaciji orodja. Geometrijska natančnost za značilnosti znotraj tolerance ±0,025 mm se je v povprečju povečala za 28 %. Čeprav zahteva znatno začetno strokovno znanje in naložbe na področju programiranja, 5-osna obdelava omogoča zanesljivo izdelavo prej neizvedljivih geometrij z vrhunsko učinkovitostjo in končno obdelavo. Te zmogljivosti postavljajo 5-osno tehnologijo kot bistveno za izdelavo visokokakovostnih, kompleksnih kovinskih delov po meri.
1. Uvod
Neusmiljeno prizadevanje za optimizacijo zmogljivosti v panogah, kot so vesoljska in vesoljska industrija (zahteva po lažjih in močnejših delih), medicina (zahteva biokompatibilne, pacientu specifične vsadke) in energetika (zahteva kompleksne komponente za ravnanje s tekočinami), je premaknilo meje kompleksnosti kovinskih delov. Tradicionalna 3-osna CNC obdelava, ki jo omejuje omejen dostop do orodij in več potrebnih nastavitev, se spopada z zapletenimi konturami, globokimi votlinami in značilnostmi, ki zahtevajo sestavljene kote. Te omejitve povzročajo zmanjšano natančnost, daljše proizvodne čase, višje stroške in omejitve pri oblikovanju. Do leta 2025 zmožnost učinkovite izdelave zelo kompleksnih, natančnih kovinskih delov ne bo več luksuz, temveč konkurenčna nuja. Sodobna 5-osna CNC obdelava, ki ponuja hkratno krmiljenje treh linearnih osi (X, Y, Z) in dveh rotacijskih osi (A, B ali C), predstavlja transformativno rešitev. Ta tehnologija omogoča rezalnemu orodju, da se približa obdelovancu iz praktično katere koli smeri v eni sami nastavitvi, s čimer bistveno premaga omejitve dostopa, ki so lastne 3-osni obdelavi. Ta članek preučuje specifične zmogljivosti, kvantificirane prednosti in praktične vidike izvedbe 5-osne obdelave za proizvodnjo kovinskih delov po meri.
2. Metode
2.1 Oblikovanje in primerjalna analiza
Z uporabo programske opreme Siemens NX CAD sta bila zasnovana dva referenčna dela, ki predstavljata pogoste izzive pri izdelavi po meri:
Rotor:Z zapletenimi, zasukanimi rezili z visokim razmerjem stranic in ozkimi razmiki.
Lopatica turbine:Vključuje sestavljene ukrivljenosti, tanke stene in natančne pritrdilne površine.
Te zasnove so namerno vključevale spodreze, globoke žepe in funkcije, ki zahtevajo neortogonalni dostop do orodja, s posebnim poudarkom na omejitvah 3-osne obdelave.
2.2 Materiali in oprema
Materiali:Zaradi njune ustreznosti v zahtevnih aplikacijah in različnih obdelovalnih lastnosti sta bila izbrana titan (Ti-6Al-4V, žarjeno stanje) in nerjaveče jeklo 316L, primerno za letalsko industrijo.
Stroji:
5-osni:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (krmiljenje Heidenhain TNC 640).
3-osni:HAAS VF-4SS (krmiljenje HAAS NGC).
Orodje:Za grobo in fino obdelavo so bili uporabljeni prevlečeni karbidni rezkarji (različnih premerov, s krogličnim in ravnim koncem) proizvajalcev Kennametal in Sandvik Coromant. Parametri rezanja (hitrost, pomik, globina reza) so bili optimizirani glede na material in zmogljivosti stroja z uporabo priporočil proizvajalca orodja in nadzorovanih testnih rezov.
Vpenjanje obdelovanca:Po meri izdelani, natančno obdelani modularni vpenjala so zagotavljala togo vpenjanje in ponovljivo pozicioniranje za obe vrsti strojev. Pri 3-osnih poskusih so bili deli, ki so zahtevali vrtenje, ročno premaknjeni z uporabo preciznih moznikov, kar je simuliralo tipično prakso v delavnici. 5-osni poskusi so izkoristili polno rotacijsko zmogljivost stroja v okviru ene same nastavitve vpenjala.
2.3 Pridobivanje in analiza podatkov
Čas cikla:Merjeno neposredno s časovnikov stroja.
Hrapavost površine (Ra):Merjeno z profilometrom Mitutoyo Surftest SJ-410 na petih kritičnih mestih na del. Na kombinacijo materiala/stroja so bili obdelani trije deli.
Geometrijska natančnost:Skenirano z uporabo koordinatnega merilnega stroja (KMS) Zeiss CONTURA G2. Kritične dimenzije in geometrijske tolerance (ravnost, pravokotnost, profil) so bile primerjane z modeli CAD.
Statistična analiza:Za čas cikla in meritve Ra so bile izračunane povprečne vrednosti in standardni odkloni. Podatki CMM so bili analizirani glede odstopanj od nazivnih dimenzij in stopenj skladnosti s tolerancami.
Tabela 1: Povzetek eksperimentalne nastavitve
| Element | 5-osna nastavitev | 3-osna nastavitev |
|---|---|---|
| Stroj | DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5-osni) | HAAS VF-4SS (3-osni) |
| Pritrjevanje | Enojna napeljava po meri | Ena prilagojena vpenjalna naprava + ročne rotacije |
| Število nastavitev | 1 | 3 (Impelerjevo kolo), 4 (Turbinska lopatica) |
| Programska oprema CAM | Siemens NX CAM (večosne poti orodij) | Siemens NX CAM (3-osne poti orodij) |
| Merjenje | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Rezultati in analiza
3.1 Povečanje učinkovitosti
5-osna obdelava je pokazala znatne prihranke časa. Pri titanovem rotorju je 5-osna obdelava skrajšala čas cikla za 58 % v primerjavi s 3-osno obdelavo (2,1 ure v primerjavi s 5,0 urami). Lopatica turbine iz nerjavečega jekla je pokazala 42-odstotno zmanjšanje (1,8 ure v primerjavi s 3,1 urami). Te izboljšave so bile predvsem posledica odprave večkratnih nastavitev in s tem povezanega časa ročnega rokovanja/ponovnega vpenjanja ter omogočanja učinkovitejših poti orodij z daljšimi, neprekinjenimi rezi zaradi optimizirane orientacije orodja.
3.2 Izboljšanje kakovosti površine
Hrapavost površine (Ra) se je s 5-osno obdelavo dosledno izboljševala. Na kompleksnih površinah lopatic titaninovega rotorja so se povprečne vrednosti Ra zmanjšale za 32 % (0,8 µm v primerjavi z 1,18 µm). Podobne izboljšave so bile opažene na lopatici turbine iz nerjavečega jekla (Ra se je zmanjšal za 35 %, v povprečju 0,65 µm v primerjavi z 1,0 µm). To izboljšanje je mogoče pripisati sposobnosti ohranjanja konstantnega, optimalnega kontaktnega kota rezanja in zmanjšanim vibracijam orodja zaradi boljše togosti orodja pri krajših podaljških orodja.
3.3 Izboljšanje geometrijske natančnosti
Analiza s koordinatnim merilnim strojem (CMM) je potrdila vrhunsko geometrijsko natančnost pri 5-osni obdelavi. Odstotek kritičnih značilnosti, ki so ostale znotraj stroge tolerance ±0,025 mm, se je znatno povečal: za 30 % pri titanovem rotorju (dosežek 92-odstotne skladnosti v primerjavi z 62 %) in za 26 % pri lopatici iz nerjavečega jekla (dosežek 89-odstotne skladnosti v primerjavi s 63 %). Ta izboljšava izhaja neposredno iz odprave kumulativnih napak, ki jih povzročajo večkratne nastavitve in ročno premeščanje, potrebno v 3-osnem postopku. Značilnosti, ki zahtevajo sestavljene kote, so pokazale največje povečanje natančnosti.
*Slika 1: Primerjalne metrike uspešnosti (5-osni v primerjavi s 3-osnim)*
4. Razprava
Rezultati jasno dokazujejo tehnične prednosti 5-osne obdelave za kompleksne kovinske dele po meri. Znatno skrajšanje časa cikla se neposredno odraža v nižjih stroških na del in povečani proizvodni zmogljivosti. Izboljšana površinska obdelava zmanjšuje ali odpravlja sekundarne zaključne operacije, kot je ročno poliranje, kar dodatno znižuje stroške in dobavne roke, hkrati pa izboljšuje doslednost delov. Preskok v geometrijski natančnosti je ključnega pomena za visokozmogljive aplikacije, kot so vesoljski motorji ali medicinski vsadki, kjer sta funkcionalnost in varnost delov najpomembnejša.
Te prednosti izhajajo predvsem iz osnovne zmogljivosti 5-osne obdelave: sočasno večosno gibanje, ki omogoča obdelavo z eno samo nastavitvijo. To odpravlja napake, ki jih povzročajo nastavitve, in čas obdelave. Poleg tega stalna optimalna orientacija orodja (vzdrževanje idealne obremenitve odrezkov in rezalnih sil) izboljša površinsko obdelavo in omogoča agresivnejše strategije obdelave, kjer to dopušča togost orodja, kar prispeva k povečanju hitrosti.
Vendar pa praktična uporaba zahteva priznavanje omejitev. Kapitalska naložba za zmogljiv 5-osni stroj in ustrezno orodje je bistveno višja kot za 3-osno opremo. Kompleksnost programiranja narašča eksponentno; ustvarjanje učinkovitih, brez kolizij 5-osnih poti orodij zahteva visoko usposobljene CAM programerje in dovršeno programsko opremo. Simulacija in preverjanje postaneta obvezna koraka pred obdelavo. Vpenjalna naprava mora zagotavljati tako togost kot zadosten prostor za polno rotacijsko gibanje. Ti dejavniki dvigujejo raven znanja, potrebno za operaterje in programerje.
Praktična posledica je jasna: 5-osna obdelava se odlično obnese pri visokovrednih, kompleksnih komponentah, kjer njene prednosti v hitrosti, kakovosti in zmogljivosti upravičujejo višje operativne stroške in naložbe. Za enostavnejše dele ostaja 3-osna obdelava bolj ekonomična. Uspeh je odvisen od vlaganja v tehnologijo in usposobljeno osebje, skupaj z robustnimi orodji CAM in simulacijo. Zgodnje sodelovanje med načrtovanjem, proizvodnim inženiringom in strojno delavnico je ključnega pomena za popolno izkoriščanje 5-osnih zmogljivosti pri načrtovanju delov za izdelavo (DFM).
5. Zaključek
Sodobna 5-osna CNC obdelava ponuja dokazljivo boljšo rešitev za izdelavo kompleksnih, visoko natančnih kovinskih delov po meri v primerjavi s tradicionalnimi 3-osnimi metodami. Ključne ugotovitve potrjujejo:
Pomembna učinkovitost:Zmanjšanje časa cikla za 40–60 % z obdelavo z eno samo nastavitvijo in optimiziranimi potemi orodij.
Izboljšana kakovost:Izboljšanje hrapavosti površine (Ra) do 35 % zaradi optimalne orientacije orodja in stika.
Vrhunska natančnost:Povprečno 28-odstotno povečanje toleranc kritičnih geometrijskih toleranc znotraj ±0,025 mm, kar odpravlja napake zaradi večkratnih nastavitev.
Tehnologija omogoča izdelavo zapletenih geometrij (globoke votline, spodrezi, sestavljene krivulje), ki so s 3-osno obdelavo nepraktične ali nemogoče, s čimer neposredno naslavlja razvijajoče se zahteve letalskega, medicinskega in energetskega sektorja.
Da bi povečali donosnost naložbe v 5-osno obdelavo, se morajo proizvajalci osredotočiti na visoko kompleksne in dragocene dele, kjer sta natančnost in dobavni rok ključna konkurenčna dejavnika. Prihodnje delo bi moralo raziskati integracijo 5-osne obdelave z metrologijo med procesom za nadzor kakovosti v realnem času in obdelavo v zaprti zanki, kar bi dodatno izboljšalo natančnost in zmanjšalo količino odpadkov. Nadaljnje raziskave strategij prilagodljive obdelave, ki izkoriščajo 5-osno fleksibilnost za težko obdelovalne materiale, kot sta Inconel ali kaljena jekla, prav tako predstavljajo dragoceno smer.
