Kohandatud metalldetailide tootmine 5-teljelise töötlemisega

Kohandatud metalldetailide tootmine 5-teljelise töötlemisega

Autor:PFT, Shenzhen

Kokkuvõte:Täiustatud tootmine nõuab üha keerukamaid ja ülitäpsemaid metallkomponente lennundus-, meditsiini- ja energeetikasektoris. See analüüs hindab tänapäevase 5-teljelise arvutipõhise numbrilise juhtimisega (CNC) töötlemise võimekust nendele nõuetele vastamisel. Kasutades keerukaid tiivikuid ja turbiinilabasid esindavaid etalongeomeetriaid, viidi läbi töötluskatseid, milles võrreldi 5-teljelist ja traditsioonilist 3-teljelist meetodit lennunduskvaliteediga titaanil (Ti-6Al-4V) ja roostevabal terasel (316L). Tulemused näitavad 40–60% lühenemist töötlusajas ja pinnakareduse (Ra) paranemist kuni 35% 5-teljelise töötlemise korral, mis on tingitud vähendatud seadistustest ja optimeeritud tööriista orientatsioonist. Geomeetriline täpsus ±0,025 mm tolerantsi piires olevate detailide puhul suurenes keskmiselt 28%. Kuigi see nõuab märkimisväärset eelnevat programmeerimisalast oskusteavet ja investeeringuid, võimaldab 5-teljeline töötlemine usaldusväärselt toota varem teostamatuid geomeetriaid, pakkudes suurepärast efektiivsust ja viimistlust. Need võimalused muudavad 5-teljelise tehnoloogia oluliseks väärtuslike ja keerukate metalldetailide valmistamisel.

1. Sissejuhatus
Järjepidev sooritus jõudluse optimeerimise poole sellistes tööstusharudes nagu lennundus (mis nõuab kergemaid ja tugevamaid osi), meditsiin (mis nõuab bioühilduvaid, patsiendispetsiifilisi implantaate) ja energeetika (mis vajab keerukaid vedeliku käitlemise komponente) on nihutanud metalldetailide keerukuse piire. Traditsiooniline 3-teljeline CNC-töötlus, mida piiravad piiratud juurdepääs tööriistadele ja mitu vajalikku seadistust, on hädas keerukate kontuuride, sügavate õõnsuste ja liitnurki nõudvate omadustega. Need piirangud toovad kaasa täpsuse languse, pikema tootmisaja, kõrgemad kulud ja disainipiirangud. 2025. aastaks ei ole väga keerukate ja täppismetallist osade tõhus tootmine enam luksus, vaid konkurentsivajadus. Kaasaegne 5-teljeline CNC-töötlus, mis pakub kolme lineaartelje (X, Y, Z) ja kahe pöörlemistelje (A, B või C) samaaegset juhtimist, pakub murrangulist lahendust. See tehnoloogia võimaldab lõikeriistal läheneda toorikule praktiliselt igast suunast ühe seadistuse abil, ületades põhimõtteliselt 3-teljelise töötlemisega kaasnevad juurdepääsupiirangud. See artikkel uurib 5-teljelise töötlemise spetsiifilisi võimalusi, kvantifitseeritud eeliseid ja praktilisi rakenduskaalutlusi metalldetailide tootmiseks.

2. Meetodid
2.1 Kujundus ja võrdlusanalüüs
Siemensi NX CAD tarkvara abil konstrueeriti kaks võrdlusdetaili, mis kehastavad tellimustootmises esinevaid levinud väljakutseid:

Tiivik:Keeruliste, keerdunud labadega, millel on kõrge külgsuhe ja väike vahe.

Turbiini laba:Sisaldab liitkumerusi, õhukesi seinu ja täppiskinnituspindu.
Need konstruktsioonid hõlmasid tahtlikult sisselõikeid, sügavaid taskuid ja detaile, mis nõuavad mitte-ortogonaalset tööriistajuurdepääsu, keskendudes eelkõige 3-teljelise töötlemise piirangutele.

2.2 Materjalid ja seadmed

Materjalid:Lennunduskvaliteediga titaan (Ti-6Al-4V, lõõmutatud olekus) ja 316L roostevaba teras valiti välja nende asjakohasuse tõttu nõudlikes rakendustes ja eriliste töötlemisomaduste tõttu.

Masinad:

5-teljeline:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (Heidenhain TNC 640 juhtimine).

3-teljeline:HAAS VF-4SS (HAAS NGC juhtimine).

Tööriistad:Jämeda ja viimistlemise jaoks kasutati Kennametali ja Sandvik Coromanti kaetud täiskarbiidist otsafreesid (erineva läbimõõduga, ümarninalised ja lameda otsaga). Lõikeparameetrid (kiirus, ettenihe, lõikesügavus) optimeeriti vastavalt materjalile ja masina võimalustele, kasutades tööriistatootja soovitusi ja kontrollitud testlõikeid.

Töödeldav kinnitus:Kohandatud, täpselt töödeldud moodulkinnitused tagasid mõlema masinatüübi jaoks jäiga kinnituse ja korduva asukoha. 3-teljeliste katsete puhul paigutati pöörlemist vajavad osad käsitsi ümber täppistüüblite abil, simuleerides tüüpilist tootmispõranda praktikat. 5-teljeliste katsete puhul kasutati masina täielikku pöörlemisvõimet ühe kinnitusseadistuse piires.

2.3 Andmete kogumine ja analüüs

Tsükli aeg:Mõõdetud otse masina taimeritelt.

Pinna karedus (Ra):Mõõdetud Mitutoyo Surftest SJ-410 profilomeetriga viies kriitilises kohas detaili kohta. Iga materjali/masina kombinatsiooni kohta töödeldi kolm detaili.

Geomeetriline täpsus:Skannitud Zeiss CONTURA G2 koordinaatmõõtemasinaga (CMM). Kriitilisi mõõtmeid ja geomeetrilisi tolerantse (tasasus, ristiasend, profiil) võrreldi CAD-mudelitega.

Statistiline analüüs:Tsükliaja ja Ra mõõtmiste jaoks arvutati keskmised väärtused ja standardhälbed. CMM-i andmeid analüüsiti nimimõõtmetest kõrvalekallete ja tolerantsi vastavuse määrade osas.

Tabel 1: Eksperimentaalse seadistuse kokkuvõte

3. Tulemused ja analüüs
3.1 Tõhususe kasv
5-teljeline töötlemine näitas märkimisväärset ajakokkuhoidu. Titaanist tiiviku puhul vähendas 5-teljeline töötlemine tsükliaega 58% võrreldes 3-teljelise töötlemisega (2,1 tundi vs 5,0 tundi). Roostevabast terasest turbiinilaba puhul vähenes tsükkel 42% (1,8 tundi vs 3,1 tundi). See kasu tulenes peamiselt mitme seadistuse ja sellega seotud käsitsi käsitsemise/ümberkinnituse aja kaotamisest ning tõhusamate tööradade võimaldamisest pikemate ja pidevate lõigetega tänu optimeeritud tööriista orientatsioonile.

3.2 Pinna kvaliteedi parandamine
Pinna karedus (Ra) paranes 5-teljelise töötlemisega järjepidevalt. Titaanist tiiviku keerukatel labapindadel vähenesid keskmised Ra väärtused 32% (0,8 µm vs 1,18 µm). Sarnaseid paranemisi täheldati roostevabast terasest turbiinilaba puhul (Ra vähenes 35%, keskmiselt 0,65 µm vs 1,0 µm). See paranemine on omistatav võimele säilitada konstantset ja optimaalset lõikekontaktnurka ning vähendada tööriista vibratsiooni tänu paremale tööriista jäikusele lühemate tööriista pikenduste korral.

3.3 Geomeetrilise täpsuse suurendamine
CMM-analüüs kinnitas 5-teljelise töötlemise suurepärast geomeetrilist täpsust. Kriitiliste omaduste osakaal, mis jäid range ±0,025 mm tolerantsi piiresse, suurenes märkimisväärselt: titaanist tiiviku puhul 30% (saavutades 92% vastavuse vs 62%) ja roostevabast terasest laba puhul 26% (saavutades 89% vastavuse vs 63%). See paranemine tuleneb otseselt 3-teljelises protsessis vajaliku mitme seadistuse ja käsitsi ümberpaigutamise tagajärjel tekkinud kumulatiivsete vigade kõrvaldamisest. Kõige dramaatilisemat täpsuse kasvu näitasid omadused, mis nõudsid liitnurki.

*Joonis 1: Võrdlevad tulemuslikkuse mõõdikud (5-teljeline vs. 3-teljeline)*

4. Arutelu
Tulemused näitavad selgelt 5-teljelise töötlemise tehnilisi eeliseid keerukate metalldetailide puhul. Tsükliaja märkimisväärne lühenemine tähendab otseselt madalamaid kulusid detaili kohta ja suurenenud tootmisvõimsust. Parem pinnaviimistlus vähendab või kõrvaldab teiseseid viimistlustoiminguid, nagu käsitsi poleerimine, mis vähendab veelgi kulusid ja tarneaegu ning parandab samal ajal detailide järjepidevust. Geomeetrilise täpsuse hüpe on kriitilise tähtsusega suure jõudlusega rakenduste jaoks, nagu lennundusmootorid või meditsiinilised implantaadid, kus detailide funktsionaalsus ja ohutus on esmatähtsad.

Need eelised tulenevad peamiselt 5-teljelise töötlemise põhivõimest: samaaegne mitmeteljeline liikumine, mis võimaldab ühe seadistusega töötlemist. See välistab seadistusest tingitud vead ja käsitsemisaja. Lisaks parandab pidev optimaalne tööriista orientatsioon (säilitades ideaalse laastukoormuse ja lõikejõu) pinnaviimistlust ja võimaldab agressiivsemaid töötlemisstrateegiaid seal, kus tööriista jäikus seda võimaldab, aidates kaasa kiiruse kasvule.

Praktiline omaksvõtt nõuab aga piirangute tunnistamist. Võimsa 5-teljelise masina ja sobivate tööriistade kapitaliinvesteering on oluliselt suurem kui 3-teljelise seadme puhul. Programmeerimise keerukus suureneb eksponentsiaalselt; tõhusate ja kokkupõrkevabade 5-teljeliste tööradade loomine nõuab kõrgelt kvalifitseeritud CAM-programmeerijaid ja keerukat tarkvara. Simulatsioon ja kontrollimine muutuvad enne töötlemist kohustuslikeks etappideks. Kinnitusdetailid peavad tagama nii jäikuse kui ka piisava vabaduse täieliku pöörlemisliikumise jaoks. Need tegurid tõstavad operaatorite ja programmeerijate oskuste taset.

Praktiline tähendus on selge: 5-teljeline töötlemine sobib suurepäraselt kõrge väärtusega ja keerukate komponentide töötlemiseks, kus selle kiiruse, kvaliteedi ja võimekuse eelised õigustavad suuremaid tegevuskulusid ja investeeringuid. Lihtsamate osade puhul on 3-teljeline töötlemine endiselt säästlikum. Edu sõltub investeerimisest nii tehnoloogiasse kui ka oskuslikesse töötajatesse koos tugevate CAM- ja simulatsioonitööriistadega. Varajane koostöö projekteerimise, tootmisinseneri ja masinaehituse vahel on ülioluline, et täielikult ära kasutada 5-teljelisi võimalusi osade valmistatavust silmas pidades (DFM).

5. Kokkuvõte
Kaasaegne 5-teljeline CNC-töötlus pakub traditsiooniliste 3-teljeliste meetoditega võrreldes demonstreeritavalt paremat lahendust keerukate ja ülitäpsete metalldetailide valmistamiseks. Peamised tulemused kinnitavad:

Märkimisväärne efektiivsus:Tsükliaja lühenemine 40–60% võrra tänu ühe seadistusega töötlemisele ja optimeeritud tööradadele.

Täiustatud kvaliteet:Pinna kareduse (Ra) paranemine kuni 35% tänu optimaalsele tööriista orientatsioonile ja kokkupuutele.

Ülim täpsus:Kriitiliste geomeetriliste tolerantside keskmine 28% suurenemine ±0,025 mm piires, mis välistab mitmest seadistusest tulenevad vead.
See tehnoloogia võimaldab toota keerukaid geomeetriaid (sügavad õõnsused, sisselõiked, liitkõverad), mis on 3-teljelise töötlemisega ebapraktilised või võimatud, lahendades otseselt lennundus-, meditsiini- ja energeetikasektori muutuvaid nõudmisi.

5-teljelise töötlemise investeeringutasuvuse maksimeerimiseks peaksid tootjad keskenduma keerukatele ja väärtuslikele osadele, kus täpsus ja tarneaeg on konkurentsi seisukohalt olulised tegurid. Edasine töö peaks uurima 5-teljelise töötlemise integreerimist protsessisisese metroloogiaga reaalajas kvaliteedikontrolli ja suletud ahelaga töötlemise jaoks, suurendades veelgi täpsust ja vähendades praaki. Väärtusliku suuna pakub ka jätkuv uurimine adaptiivsete töötlemisstrateegiate kohta, mis kasutavad ära 5-teljelist paindlikkust raskesti töödeldavate materjalide, näiteks Inconeli või karastatud teraste puhul.