Pielāgotu metāla detaļu ražošana ar 5 asu apstrādi

Pielāgotu metāla detaļu ražošana ar 5 asu apstrādi

Autors:PFT, Šenžena

Kopsavilkums:Progresīva ražošana pieprasa arvien sarežģītākus, augstas precizitātes metāla komponentus kosmosa, medicīnas un enerģētikas nozarēs. Šī analīze novērtē mūsdienu 5 asu datora ciparu vadības (CNC) apstrādes iespējas izpildīt šīs prasības. Izmantojot etalona ģeometrijas, kas reprezentē sarežģītus lāpstiņriteņus un turbīnu lāpstiņas, tika veikti apstrādes izmēģinājumi, salīdzinot 5 asu un tradicionālās 3 asu metodes uz kosmosa līmeņa titāna (Ti-6Al-4V) un nerūsējošā tērauda (316L). Rezultāti liecina par 40–60% apstrādes laika samazinājumu un virsmas raupjuma (Ra) uzlabošanos līdz pat 35%, izmantojot 5 asu apstrādi, kas saistīts ar samazinātu iestatījumu skaitu un optimizētu instrumentu orientāciju. Ģeometriskā precizitāte elementiem ar pielaidi ±0,025 mm ir palielinājusies vidēji par 28%. Lai gan 5 asu apstrāde prasa ievērojamas sākotnējās programmēšanas zināšanas un ieguldījumus, tā ļauj droši ražot iepriekš neiespējamas ģeometrijas ar izcilu efektivitāti un apdari. Šīs iespējas padara 5 asu tehnoloģiju par būtisku augstas vērtības, sarežģītu pielāgotu metāla detaļu ražošanā.

1. Ievads
Nepārtrauktā tieksme pēc veiktspējas optimizācijas tādās nozarēs kā aviācija un kosmosa rūpniecība (pieprasītas vieglākas, izturīgākas detaļas), medicīna (nepieciešami bioloģiski saderīgi, pacientam specifiski implanti) un enerģētika (nepieciešami sarežģīti šķidrumu apstrādes komponenti) ir paplašinājusi metāla detaļu sarežģītības robežas. Tradicionālā 3 asu CNC apstrāde, ko ierobežo ierobežota piekļuve instrumentiem un vairāki nepieciešamie iestatījumi, cīnās ar sarežģītām kontūrām, dziļām dobumiem un elementiem, kam nepieciešami salikti leņķi. Šie ierobežojumi noved pie precizitātes samazināšanās, ilgāka ražošanas laika, augstākām izmaksām un dizaina ierobežojumiem. Līdz 2025. gadam spēja efektīvi ražot ļoti sarežģītas, precīzas metāla detaļas vairs nebūs greznība, bet gan konkurētspējīga nepieciešamība. Mūsdienīga 5 asu CNC apstrāde, kas piedāvā vienlaicīgu trīs lineāro asu (X, Y, Z) un divu rotācijas asu (A, B vai C) vadību, piedāvā transformējošu risinājumu. Šī tehnoloģija ļauj griezējinstrumentam piekļūt sagatavei praktiski no jebkura virziena vienā iestatījumā, būtībā pārvarot piekļuves ierobežojumus, kas raksturīgi 3 asu apstrādei. Šajā rakstā tiek aplūkotas 5 asu apstrādes īpašās iespējas, kvantitatīvās priekšrocības un praktiskie ieviešanas apsvērumi pielāgotu metāla detaļu ražošanai.

2. Metodes
2.1 Dizains un salīdzinošā novērtēšana
Izmantojot Siemens NX CAD programmatūru, tika izstrādātas divas etalona detaļas, kas ietver bieži sastopamas problēmas pielāgotā ražošanā:

Lāpstiņritenis:Raksturīgi sarežģīti, savīti asmeņi ar augstu malu attiecību un nelielu atstarpi.

Turbīnas lāpstiņa:Iekļaujot saliktus izliekumus, plānas sienas un precīzas montāžas virsmas.
Šajos dizainos apzināti tika iekļauti apakšgriezumi, dziļas kabatas un elementi, kam nepieciešama neortogonāla piekļuve instrumentam, īpaši pievēršoties 3 asu apstrādes ierobežojumiem.

2.2 Materiāli un aprīkojums

Materiāli:Aviācijas un kosmosa klases titāns (Ti-6Al-4V, atkvēlināts stāvoklis) un 316L nerūsējošais tērauds tika izvēlēti, ņemot vērā to atbilstību prasīgiem lietojumiem un atšķirīgās apstrādes īpašības.

Mašīnas:

5 asis:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (Heidenhain TNC 640 vadība).

3 asis:HAAS VF-4SS (HAAS NGC vadība).

Instrumenti:Rupjajai un apdarei tika izmantotas pārklātas cietkoksnes gala frēzes (dažādi diametri, ar lodveida galu un plakanu galu) no Kennametal un Sandvik Coromant. Griešanas parametri (ātrums, padeve, griešanas dziļums) tika optimizēti atkarībā no materiāla un mašīnas iespējām, izmantojot instrumentu ražotāja ieteikumus un kontrolētus testa griezumus.

Darba stiprinājums:Pielāgoti, precīzi izgatavoti modulārie stiprinājumi nodrošināja stingru iespīlēšanu un atkārtojamu novietojumu abiem mašīnu tipiem. 3 asu izmēģinājumos detaļas, kurām bija nepieciešama rotācija, tika manuāli pārvietotas, izmantojot precīzus dībeļus, imitējot tipisku ražošanas cehā notiekošu praksi. 5 asu izmēģinājumos tika izmantota mašīnas pilna rotācijas spēja viena stiprinājuma iestatījuma ietvaros.

2.3 Datu iegūšana un analīze

Cikla laiks:Mērīts tieši no mašīnu taimeriem.

Virsmas raupjums (Ra):Mērīts, izmantojot Mitutoyo Surftest SJ-410 profilometru piecās kritiskās vietās katrai detaļai. Katrā materiāla/mašīnas kombinācijā tika apstrādātas trīs detaļas.

Ģeometriskā precizitāte:Skenēts, izmantojot Zeiss CONTURA G2 koordinātu mērīšanas iekārtu (CMM). Kritiskie izmēri un ģeometriskās pielaides (plakanums, perpendikulitāte, profils) tika salīdzinātas ar CAD modeļiem.

Statistiskā analīze:Cikla laikam un Ra mērījumiem tika aprēķinātas vidējās vērtības un standartnovirzes. CMM dati tika analizēti, lai noteiktu novirzi no nominālajiem izmēriem un pielaides atbilstības rādītājus.

1. tabula. Eksperimentālās iestatīšanas kopsavilkums

3. Rezultāti un analīze
3.1 Efektivitātes pieaugums
5 asu apstrāde uzrādīja ievērojamu laika ietaupījumu. Titāna lāpstiņriteņa gadījumā 5 asu apstrāde samazināja cikla laiku par 58 % salīdzinājumā ar 3 asu apstrādi (2,1 stunda pret 5,0 stundām). Nerūsējošā tērauda turbīnas lāpstiņai cikla laiks samazinājās par 42 % (1,8 stundas pret 3,1 stundu). Šie ieguvumi galvenokārt radās, novēršot vairākus iestatījumus un ar tiem saistīto manuālo apstrādi/atkārtotu nostiprināšanu, kā arī nodrošinot efektīvākas instrumentu trajektorijas ar garākiem, nepārtrauktiem griezumiem, pateicoties optimizētai instrumentu orientācijai.

3.2 Virsmas kvalitātes uzlabošana
Virsmas raupjums (Ra) pastāvīgi uzlabojās, veicot 5 asu apstrādi. Titāna lāpstiņriteņa sarežģītajām lāpstiņu virsmām vidējās Ra vērtības samazinājās par 32% (0,8 µm pret 1,18 µm). Līdzīgi uzlabojumi tika novēroti arī nerūsējošā tērauda turbīnas lāpstiņai (Ra samazinājās par 35%, vidēji 0,65 µm pret 1,0 µm). Šis uzlabojums tiek attiecināts uz spēju uzturēt nemainīgu, optimālu griešanas saskares leņķi un samazinātu instrumenta vibrāciju, pateicoties labākai instrumenta stingrībai īsākos instrumenta pagarinājumos.

3.3 Ģeometriskās precizitātes uzlabošana
CMM analīze apstiprināja izcilu ģeometrisko precizitāti, izmantojot 5 asu apstrādi. Kritisko elementu procentuālā daļa, kas tika noturēta stingrās ±0,025 mm pielaides robežās, ievērojami palielinājās: par 30% titāna lāpstiņritenim (sasniedzot 92% atbilstību salīdzinājumā ar 62%) un par 26% nerūsējošā tērauda lāpstiņai (sasniedzot 89% atbilstību salīdzinājumā ar 63%). Šis uzlabojums ir tieši saistīts ar kumulatīvo kļūdu novēršanu, ko rada vairāki iestatījumi un manuāla pārvietošana, kas nepieciešama 3 asu procesā. Vislielāko precizitātes pieaugumu uzrādīja elementi, kuriem nepieciešami saliktie leņķi.

*1. attēls: Salīdzinošie veiktspējas rādītāji (5 asu salīdzinājumā ar 3 asu)*

4. Diskusija
Rezultāti nepārprotami parāda 5 asu apstrādes tehniskās priekšrocības sarežģītu, pielāgotu metāla detaļu ražošanā. Cikla laika ievērojamais samazinājums tieši nozīmē zemākas izmaksas uz vienu detaļu un palielinātu ražošanas jaudu. Uzlabotā virsmas apdare samazina vai novērš tādas sekundāras apdares darbības kā manuāla pulēšana, vēl vairāk samazinot izmaksas un izpildes laikus, vienlaikus uzlabojot detaļu konsekvenci. Ģeometriskās precizitātes lēciens ir kritiski svarīgs augstas veiktspējas lietojumprogrammām, piemēram, kosmosa dzinējiem vai medicīniskajiem implantiem, kur detaļu funkcionalitāte un drošība ir ārkārtīgi svarīga.

Šīs priekšrocības galvenokārt izriet no 5 asu apstrādes galvenās iespējas: vienlaicīga vairāku asu kustība, kas ļauj apstrādāt ar vienu iestatījumu. Tas novērš iestatīšanas izraisītas kļūdas un apstrādes laiku. Turklāt nepārtraukta optimāla instrumenta orientācija (saglabājot ideālu skaidu slodzi un griešanas spēkus) uzlabo virsmas apdari un ļauj izmantot agresīvākas apstrādes stratēģijas, ja to atļauj instrumenta stingrība, tādējādi veicinot ātruma pieaugumu.

Tomēr praktiskai ieviešanai ir jāatzīst ierobežojumi. Kapitālieguldījumi jaudīgai 5 asu mašīnai un piemērotiem instrumentiem ir ievērojami lielāki nekā 3 asu iekārtām. Programmēšanas sarežģītība pieaug eksponenciāli; efektīvu, bez sadursmēm esošu 5 asu instrumentu trajektoriju izveidei ir nepieciešami augsti kvalificēti CAM programmētāji un sarežģīta programmatūra. Simulācija un verifikācija kļūst par obligātiem soļiem pirms apstrādes. Fiksēšanai ir jānodrošina gan stingrība, gan pietiekama atstarpe pilnīgai rotācijas kustībai. Šie faktori paaugstina operatoru un programmētāju prasmju līmeni.

Praktiskā nozīme ir skaidra: 5 asu apstrāde ir īpaši piemērota augstas vērtības, sarežģītu komponentu apstrādei, kur tās priekšrocības ātruma, kvalitātes un iespēju ziņā attaisno augstākas ekspluatācijas izmaksas un ieguldījumus. Vienkāršāku detaļu apstrādei 3 asu apstrāde joprojām ir ekonomiskāka. Panākumi ir atkarīgi no ieguldījumiem gan tehnoloģijās, gan kvalificētā personālā, kā arī no spēcīgiem CAM un simulācijas rīkiem. Agrīna sadarbība starp projektēšanu, ražošanas inženieriju un mašīnbūvi ir ļoti svarīga, lai pilnībā izmantotu 5 asu iespējas, projektējot detaļas ražojamībai (DFM).

5. Secinājums
Modernā 5 asu CNC apstrāde nodrošina nepārprotami pārāku risinājumu sarežģītu, augstas precizitātes pielāgotu metāla detaļu ražošanai, salīdzinot ar tradicionālajām 3 asu metodēm. Galvenie secinājumi apstiprina:

Ievērojama efektivitāte:Cikla laika samazinājums par 40–60 %, pateicoties apstrādei ar vienu iestatījumu un optimizētām instrumentu trajektorijām.

Uzlabota kvalitāte:Virsmas raupjuma (Ra) uzlabojumi līdz pat 35%, pateicoties optimālai instrumentu orientācijai un saskarei.

Izcila precizitāte:Vidēji par 28 % palielinās kritiskās ģeometriskās pielaides ±0,025 mm robežās, novēršot kļūdas no vairākiem iestatījumiem.
Šī tehnoloģija ļauj izgatavot sarežģītas ģeometrijas (dziļas dobumus, izciļņus, saliktas līknes), kas ir nepraktiskas vai neiespējamas ar 3 asu apstrādi, tieši risinot mainīgās prasības kosmosa, medicīnas un enerģētikas nozarēs.

Lai maksimāli palielinātu ieguldījumu atdevi 5 asu iespējās, ražotājiem jākoncentrējas uz augstas sarežģītības, augstas vērtības detaļām, kur precizitāte un izpildes laiks ir kritiski konkurences faktori. Turpmākajā darbā jāizpēta 5 asu apstrādes integrācija ar procesa metroloģiju reāllaika kvalitātes kontrolei un slēgta cikla apstrādei, vēl vairāk uzlabojot precizitāti un samazinot brāķus. Vērtīgs virziens ir arī turpmāki pētījumi par adaptīvām apstrādes stratēģijām, kas izmanto 5 asu elastību grūti apstrādājamiem materiāliem, piemēram, Inconel vai rūdītiem tēraudiem.