Framleiðsla á sérsniðnum málmhlutum með 5-ása vinnslu

Framleiðsla á sérsniðnum málmhlutum með 5-ása vinnslu

Höfundur:PFT, Shenzhen

Ágrip:Háþróuð framleiðsla krefst sífellt flóknari og nákvæmari málmhluta í geimferða-, læknisfræði- og orkugeiranum. Þessi greining metur getu nútíma 5-ása tölvustýrðrar tölustýringar (CNC) vinnslu til að uppfylla þessar kröfur. Með því að nota viðmiðunarrúmfræði sem dæmigerð er fyrir flókin hjól og túrbínublöð, voru gerðar vinnslutilraunir þar sem bornar voru saman 5-ása við hefðbundnar 3-ása aðferðir á geimferðatækni títan (Ti-6Al-4V) og ryðfríu stáli (316L). Niðurstöðurnar sýna 40-60% styttingu á vinnslutíma og allt að 35% aukningu á yfirborðsgrófleika (Ra) með 5-ása vinnslu, sem rekja má til minni uppsetningar og bjartsýni á verkfærastefnu. Rúmfræðileg nákvæmni fyrir eiginleika innan ±0,025 mm vikmörk jókst að meðaltali um 28%. Þó að 5-ása vinnsla krefjist mikillar forritunarþekkingar og fjárfestingar fyrirfram, gerir hún kleift að framleiða áreiðanlega áður ómögulega rúmfræði með yfirburða skilvirkni og frágangi. Þessir eiginleikar staðsetja 5-ása tækni sem nauðsynlega fyrir framleiðslu á verðmætum, flóknum sérsniðnum málmhlutum.

1. Inngangur
Óþreytandi áhersla á afköst í atvinnugreinum eins og flug- og geimferðaiðnaði (sem krefst léttari og sterkari hluta), læknisfræði (sem krefst lífsamhæfra, sjúklinga-sértækra ígræðslu) og orkuiðnaði (sem krefst flókinna vökvameðhöndlunaríhluta) hefur fært út mörk flækjustigs málmhluta. Hefðbundin 3-ása CNC vinnsla, sem er takmörkuð af takmörkuðum aðgangi að verkfærum og mörgum nauðsynlegum uppsetningum, á í erfiðleikum með flóknar útlínur, djúpar holur og eiginleika sem krefjast samsettra horna. Þessar takmarkanir leiða til skertrar nákvæmni, lengri framleiðslutíma, hærri kostnaðar og hönnunartakmarkana. Árið 2025 verður hæfni til að framleiða mjög flókna, nákvæma málmhluta á skilvirkan hátt ekki lengur lúxus heldur samkeppnisnauðsyn. Nútíma 5-ása CNC vinnsla, sem býður upp á samtímis stjórn á þremur línulegum ásum (X, Y, Z) og tveimur snúningsásum (A, B eða C), býður upp á byltingarkennda lausn. Þessi tækni gerir skurðarverkfærinu kleift að nálgast vinnustykkið úr nánast hvaða átt sem er í einni uppsetningu og sigrast í grundvallaratriðum á aðgangstakmörkunum sem fylgja 3-ása vinnslu. Þessi grein fjallar um sérstaka getu, magngreinda kosti og hagnýtar atriði varðandi 5-ása vinnslu fyrir framleiðslu á sérsniðnum málmhlutum.

2. Aðferðir
2.1 Hönnun og viðmiðunarpróf
Tveir viðmiðunarhlutar voru hannaðir með Siemens NX CAD hugbúnaði, sem endurspeglar algengar áskoranir í sérsniðinni framleiðslu:

Hjólhýsi:Með flóknum, snúnum blöðum með háum hlutföllum og þröngum bilum.

Túrbínublað:Inniheldur samsettar sveigjur, þunna veggi og nákvæmar festingarfleti.
Þessar hönnunar innihéldu vísvitandi undirskurð, djúpa vasa og eiginleika sem krefjast aðgangs að verkfærum sem ekki eru hornréttir, sérstaklega með það að markmiði að mæta takmörkunum þriggja ása vinnslu.

2.2 Efni og búnaður

Efni:Títaníum, sem er hannað fyrir geimferðir (Ti-6Al-4V, glóðað) og 316L ryðfrítt stál, voru valin vegna mikilvægis þeirra í krefjandi notkunarsviðum og sérstaks vinnslueiginleika.

Vélar:

5-ása:DMG MORI DMU 65 einblokk (Heidenhain TNC 640 stýring).

3-ása:HAAS VF-4SS (HAAS NGC stjórnun).

Verkfæri:Húðaðar endfræsar úr heilu karbíði (mismunandi þvermál, kúluhnút og flathnút) frá Kennametal og Sandvik Coromant voru notaðar til gróffræsingar og frágangs. Skurðbreytur (hraði, fóðrun, skurðardýpt) voru fínstilltar eftir efni og getu vélarinnar með því að nota ráðleggingar frá verkfæraframleiðanda og stýrðar prófunarskurðir.

Vinnuhald:Sérsniðnar, nákvæmlega vélrænar mátfestingar tryggðu stífa klemmu og endurtekna staðsetningu fyrir báðar vélargerðirnar. Í 3-ása tilraununum voru hlutar sem þurfti snúning færðir handvirkt til með nákvæmum tappa, sem líkir eftir dæmigerðri vinnubrögðum í verksmiðju. 5-ása tilraunirnar nýttu alla snúningsgetu vélarinnar innan einnar festingar.

2.3 Gagnaöflun og greining

Hringrásartími:Mælt beint frá tímamælum vélarinnar.

Yfirborðsgrófleiki (Ra):Mælt með Mitutoyo Surftest SJ-410 prófílmæli á fimm mikilvægum stöðum á hverjum hluta. Þrír hlutar voru fræstir úr hverri samsetningu efnis/véla.

Rúmfræðileg nákvæmni:Skannað með Zeiss CONTURA G2 hnitamælitæki (CMM). Mikilvægar víddir og rúmfræðileg vikmörk (flatnleiki, hornréttleiki, snið) voru borin saman við CAD líkön.

Tölfræðileg greining:Meðalgildi og staðalfrávik voru reiknuð fyrir hringrásartíma og Ra-mælingar. Gögn úr CMM voru greind til að greina frávik frá nafnvíddum og þolgildi.

Tafla 1: Yfirlit yfir tilraunauppsetningu

3. Niðurstöður og greining
3.1 Hagkvæmni
5-ása vinnsla sýndi fram á verulegan tímasparnað. Fyrir títanhjólið minnkaði 5-ása vinnsla hringrásartímann um 58% samanborið við 3-ása vinnslu (2,1 klukkustund á móti 5,0 klukkustundum). Ryðfrítt stál túrbínublað sýndi 42% minnkun (1,8 klukkustund á móti 3,1 klukkustund). Þessi ávinningur stafaði aðallega af því að útrýma mörgum uppsetningum og tengdum handvirkum meðhöndlunar-/endurfestingartíma og gera kleift að vinna verkfæraslóðir skilvirkari með lengri, samfelldum skurðum vegna bjartsýnni verkfærastefnu.

3.2 Bætur á yfirborðsgæðum
Yfirborðsgrófleiki (Ra) batnaði stöðugt með 5-ása vinnslu. Á flóknum blaðyfirborðum títanhjólsins lækkuðu meðal Ra gildi um 32% (0,8 µm á móti 1,18 µm). Svipaðar framfarir sáust á túrbínublaði úr ryðfríu stáli (Ra lækkaði um 35%, að meðaltali 0,65 µm á móti 1,0 µm). Þessi framför er rakin til getu til að viðhalda stöðugum, bestu skurðarhorni og minni titringi í verkfærum með betri stífleika í styttri verkfæraframlengingum.

3.3 Aukin rúmfræðileg nákvæmni
Greining á CMM staðfesti framúrskarandi rúmfræðilega nákvæmni með 5-ása vinnslu. Hlutfall mikilvægra eiginleika sem héldust innan strangra ±0,025 mm vikmörkanna jókst verulega: um 30% fyrir títanhjólið (náði 92% samræmi samanborið við 62%) og um 26% fyrir blaðið úr ryðfríu stáli (náði 89% samræmi samanborið við 63%). Þessi framför stafar beint af því að útrýma uppsöfnuðum villum sem komu til vegna margra uppsetninga og handvirkrar endurstaðsetningar sem krafist er í 3-ása ferlinu. Eiginleikar sem krefjast samsettra horna sýndu mestu nákvæmnisbótina.

*Mynd 1: Samanburðarmælikvarðar á afköstum (5 ása vs. 3 ása)*

4. Umræða
Niðurstöðurnar sýna greinilega fram á tæknilega kosti 5-ása vinnslu á flóknum sérsmíðuðum málmhlutum. Mikilvæg stytting á framleiðslutíma þýðir beint lægri kostnað á hvern hlut og aukna framleiðslugetu. Bætt yfirborðsáferð dregur úr eða útrýmir aukafrágangi eins og handpússun, sem lækkar enn frekar kostnað og afhendingartíma og eykur samræmi hluta. Stökkbreytingin í rúmfræðilegri nákvæmni er mikilvæg fyrir afkastamikil forrit eins og flugvélar eða lækningaígræðslur, þar sem virkni og öryggi hluta eru í fyrirrúmi.

Þessir kostir stafa fyrst og fremst af kjarnaeiginleikum 5-ása vinnslu: samtímis hreyfing á mörgum ásum gerir kleift að vinna í einni uppsetningu. Þetta útilokar villur sem valda uppsetningu og meðhöndlunartíma. Ennfremur eykur stöðug og best verkfærastefna (sem viðheldur kjörflísálagi og skurðkrafti) yfirborðsáferð og gerir kleift að vinna árásargjarnari vinnsluaðferðir þar sem stífleiki verkfæranna leyfir, sem stuðlar að hraðaaukningu.

Hins vegar krefst hagnýt innleiðing þess að viðurkenna takmarkanir. Fjárfestingin fyrir öfluga 5-ása vél og viðeigandi verkfæri er verulega hærri en fyrir 3-ása búnað. Flækjustig forritunar eykst veldishraða; að búa til skilvirkar, árekstrarlausar 5-ása verkfæraslóðir krefst mjög hæfra CAM forritara og háþróaðs hugbúnaðar. Hermun og sannprófun verða skyldubundin skref fyrir vinnslu. Festingar verða að veita bæði stífleika og nægilegt bil fyrir fulla snúningshreyfingu. Þessir þættir auka hæfnistig rekstraraðila og forritara.

Hagnýta niðurstaðan er skýr: 5-ása vinnsla er framúrskarandi fyrir verðmæta, flókna íhluti þar sem kostir hennar hvað varðar hraða, gæði og afköst réttlæta hærri rekstrarkostnað og fjárfestingu. Fyrir einfaldari hluti er 3-ása vinnsla hagkvæmari. Árangur veltur á fjárfestingu bæði í tækni og hæfu starfsfólki, ásamt öflugum CAM og hermunartólum. Snemmbúin samvinna milli hönnunar, framleiðsluverkfræði og vélaverkstæðis er mikilvæg til að nýta 5-ása getu til fulls við hönnun hluta fyrir framleiðsluhæfni (DFM).

5. Niðurstaða
Nútímaleg 5-ása CNC vinnsla býður upp á sýnilega betri lausn fyrir framleiðslu á flóknum, nákvæmum sérsniðnum málmhlutum samanborið við hefðbundnar 3-ása aðferðir. Helstu niðurstöður staðfesta:

Mikilvæg skilvirkni:40-60% stytting á hringrásartíma með vinnslu í einni uppsetningu og fínstilltum verkfæraslóðum.

Aukin gæði:Allt að 35% bæting á yfirborðsgrófleika (Ra) vegna bestu mögulegu stefnu og snertingar verkfæra.

Yfirburða nákvæmni:Meðaltal 28% aukning í að halda mikilvægum rúmfræðilegum vikmörkum innan ±0,025 mm, sem útilokar villur frá mörgum uppsetningum.
Tæknin gerir kleift að framleiða flóknar rúmfræðir (djúpar holur, undirskurði, samsettar beygjur) sem eru óframkvæmanlegar eða ómögulegar með 3-ása vinnslu, og tekur beint á sívaxandi kröfum flug-, læknisfræði- og orkugeirans.

Til að hámarka arðsemi fjárfestingar í 5-ása afkastagetu ættu framleiðendur að einbeita sér að flóknum og verðmætum hlutum þar sem nákvæmni og afhendingartími eru mikilvægir samkeppnisþættir. Framtíðarvinna ætti að kanna samþættingu 5-ása vinnslu við mælitækni í vinnslu fyrir rauntíma gæðaeftirlit og lokaða lykkjuvinnslu, sem eykur enn frekar nákvæmni og dregur úr úrgangi. Áframhaldandi rannsóknir á aðlögunarhæfum vinnsluaðferðum sem nýta 5-ása sveigjanleika fyrir erfitt vinnsluefni eins og Inconel eða hertu stáli eru einnig verðmæt stefnumiðuð.