Вытворчасць металічных дэталяў на заказ з дапамогай 5-восевай апрацоўкі
Вытворчасць металічных дэталяў на заказ з дапамогай 5-восевай апрацоўкі
Аўтар:ПФТ, Шэньчжэнь
Рэзюмэ:Пашыраная вытворчасць патрабуе ўсё больш складаных, высокадакладных металічных кампанентаў у аэракасмічнай, медыцынскай і энергетычнай галінах. Гэты аналіз ацэньвае магчымасці сучаснай 5-восевай апрацоўкі на станках з лікавым праграмным кіраваннем (ЧПУ) у задавальненні гэтых патрабаванняў. Выкарыстоўваючы эталонныя геаметрыі, рэпрэзентатыўныя для складаных рабочых колаў і лапатак турбін, былі праведзены выпрабаванні апрацоўкі, якія параўноўвалі 5-восевыя з традыцыйнымі 3-восевымі метадамі на тытане аэракасмічнага класа (Ti-6Al-4V) і нержавеючай сталі (316L). Вынікі дэманструюць скарачэнне часу апрацоўкі на 40-60% і паляпшэнне шурпатасці паверхні (Ra) да 35% пры 5-восевай апрацоўцы, што абумоўлена скарачэннем колькасці налад і аптымізаванай арыентацыяй інструмента. Геаметрычная дакладнасць для элементаў у межах дапушчальнага адхілення ±0,025 мм павялічылася ў сярэднім на 28%. Нягледзячы на тое, што патрабуецца значны першапачатковы вопыт праграмавання і інвестыцыі, 5-восевая апрацоўка дазваляе надзейна вырабляць раней немагчымыя геаметрыі з высокай эфектыўнасцю і якасцю аздаблення. Гэтыя магчымасці робяць 5-восевую тэхналогію неад'емнай для вырабу высокакаштоўных, складаных металічных дэталяў на заказ.
1. Уводзіны
Нястомнае імкненне да аптымізацыі прадукцыйнасці ў такіх галінах, як аэракасмічная (патрабуючы больш лёгкіх і трывалых дэталяў), медыцына (патрабуючы біясумяшчальных імплантатаў, адаптаваных да канкрэтных пацыентаў) і энергетыка (патрабуючы складаных кампанентаў для апрацоўкі вадкасцей), пашырыла межы складанасці металічных дэталяў. Традыцыйная 3-восевая апрацоўка на станках з ЧПУ, абмежаваная абмежаваным доступам да інструментаў і некалькімі неабходнымі наладамі, змагаецца са складанымі контурамі, глыбокімі паражнінамі і элементамі, якія патрабуюць складаных вуглоў. Гэтыя абмежаванні прыводзяць да зніжэння дакладнасці, павелічэння часу вытворчасці, павышэння выдаткаў і абмежаванняў канструкцыі. Да 2025 года магчымасць эфектыўна вырабляць вельмі складаныя, дакладныя металічныя дэталі больш не будзе раскошай, а канкурэнтнай неабходнасцю. Сучасная 5-восевая апрацоўка на станках з ЧПУ, якая прапануе адначасовае кіраванне трыма лінейнымі восямі (X, Y, Z) і двума вярчальнымі восямі (A, B або C), прадстаўляе трансфармацыйнае рашэнне. Гэтая тэхналогія дазваляе рэжучаму інструменту падыходзіць да апрацоўванай дэталі практычна з любога кірунку за адну ўстаноўку, прынцыпова пераадольваючы абмежаванні доступу, уласцівыя 3-восевай апрацоўцы. У гэтым артыкуле разглядаюцца канкрэтныя магчымасці, колькасныя перавагі і практычныя меркаванні па рэалізацыі 5-восевай апрацоўкі для вытворчасці металічных дэталяў на заказ.
2. Метады
2.1 Дызайн і бенчмаркінг
Дзве эталонныя дэталі былі распрацаваны з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння Siemens NX CAD, якія ўвасабляюць распаўсюджаныя праблемы ў вытворчасці на заказ:
Рабочае кола:Мае складаныя, скручаныя ляза з высокім суадносінамі падоўжнасці і невялікімі зазорамі.
Лапатка турбіны:Уключаючы складаныя крывізны, тонкія сценкі і дакладныя мантажныя паверхні.
Гэтыя канструкцыі наўмысна ўключалі паднутрэнні, глыбокія кішэні і элементы, якія патрабуюць неартаганальнага доступу да інструмента, спецыяльна накіраваныя на ўлічэнне абмежаванняў трохвосевай апрацоўкі.
2.2 Матэрыялы і абсталяванне
Матэрыялы:Тытан аэракасмічнага класа (Ti-6Al-4V, адпалены стан) і нержавеючая сталь 316L былі абраныя з-за іх прыдатнасці для складаных ужыванняў і адметных характарыстык апрацоўкі.
Машыны:
5-восевы:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (сістэма кіравання Heidenhain TNC 640).
3-восевы:HAAS VF-4SS (сістэма кіравання HAAS NGC).
Інструменты:Для чарнавой і чыставой апрацоўкі выкарыстоўваліся цвёрдасплаўныя фрэзы з пакрыццём (розных дыяметраў, з шарыкавым канцом і з плоскім канцом) ад Kennametal і Sandvik Coromant. Параметры рэзання (хуткасць, падача, глыбіня рэзання) былі аптымізаваны ў залежнасці ад матэрыялу і магчымасцей станка з выкарыстаннем рэкамендацый вытворцы інструмента і кантраляваных тэставых разрэзаў.
Заціск:Спецыяльна вырабленыя, дакладна апрацаваныя модульныя прыстасаванні забяспечвалі жорсткае замацаванне і паўтаральнае размяшчэнне для абодвух тыпаў машын. Для 3-восевых выпрабаванняў дэталі, якія патрабавалі павароту, перамяшчаліся ўручную з дапамогай дакладных штыфтоў, імітуючы тыповую практыку ў цэху. У 5-восевых выпрабаваннях выкарыстоўвалася поўная магчымасць павароту машыны ў межах адной устаноўкі прыстасавання.
2.3 Збор і аналіз дадзеных
Час цыклу:Вымяраецца непасрэдна з машынных таймераў.
Шурпатасць паверхні (Ra):Вымярэнні праводзіліся з дапамогай профілометра Mitutoyo Surftest SJ-410 у пяці крытычных месцах на кожную дэталь. На кожную камбінацыю матэрыялу/станка апрацоўваліся тры дэталі.
Геаметрычная дакладнасць:Сканіраванне праводзілася з дапамогай каардынатна-вымяральнай машыны (КІМ) Zeiss CONTURA G2. Крытычныя памеры і геаметрычныя дапушчэнні (плоскасць, перпендыкулярнасць, профіль) параўноўваліся з мадэлямі САПР.
Статыстычны аналіз:Для часу цыклу і вымярэнняў Ra былі разлічаны сярэднія значэнні і стандартныя адхіленні. Дадзеныя CMM былі прааналізаваны на наяўнасць адхіленняў ад намінальных памераў і ступені адпаведнасці дапушчальным адхіленням.
Табліца 1: Кароткі змест эксперыментальнай устаноўкі
| Элемент | 5-восевая налада | 3-восевая налада |
|---|---|---|
| Машына | DMG MORI DMU 65 монаБЛОК (5-восевы) | HAAS VF-4SS (3-восевы) |
| Мацаванне | Адзіночны прыстасаванне на заказ | Адзін карыстальніцкі прыбор + ручныя павароты |
| Колькасць налад | 1 | 3 (рабочае кола), 4 (лапатка турбіны) |
| Праграмнае забеспячэнне CAM | Siemens NX CAM (шматвосевыя траекторыі інструмента) | Siemens NX CAM (3-восевыя траекторыі інструмента) |
| Вымярэнне | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Вынікі і аналіз
3.1 Павышэнне эфектыўнасці
5-восевая апрацоўка прадэманстравала значную эканомію часу. Для тытанавага крыльчаткі 5-восевая апрацоўка скараціла час цыклу на 58% у параўнанні з 3-восевай апрацоўкай (2,1 гадзіны супраць 5,0 гадзін). Лапатка турбіны з нержавеючай сталі паказала скарачэнне на 42% (1,8 гадзіны супраць 3,1 гадзіны). Гэтыя перавагі ў асноўным абумоўлены ліквідацыяй некалькіх наладак і звязанага з імі часу на ручную апрацоўку/паўторную замацоўку, а таксама забеспячэннем больш эфектыўных траекторый інструмента з больш доўгімі, бесперапыннымі рэзаннямі дзякуючы аптымізаванай арыентацыі інструмента.
3.2 Паляпшэнне якасці паверхні
Шурпатасць паверхні (Ra) паслядоўна паляпшалася пры 5-восевай апрацоўцы. На складаных паверхнях лапатак тытанавага крыльчаткі сярэднія значэнні Ra знізіліся на 32% (0,8 мкм супраць 1,18 мкм). Падобныя паляпшэнні назіраліся на лапатках турбіны з нержавеючай сталі (Ra знізіўся на 35%, у сярэднім склаўшы 0,65 мкм супраць 1,0 мкм). Гэта паляпшэнне тлумачыцца здольнасцю падтрымліваць пастаянны аптымальны кут кантакту рэзання і зніжэннем вібрацыі інструмента дзякуючы лепшай калянасці інструмента ў больш кароткіх падаўжэннях інструмента.
3.3 Павышэнне геаметрычнай дакладнасці
Аналіз з дапамогай КММ пацвердзіў найвышэйшую геаметрычную дакладнасць пры 5-восевай апрацоўцы. Працэнт крытычных элементаў, якія знаходзяцца ў межах строгага дапушчальнага значэння ±0,025 мм, значна павялічыўся: на 30% для тытанавага крыльчаткі (дасягнута адпаведнасць 92% супраць 62%) і на 26% для лапаткі з нержавеючай сталі (дасягнута адпаведнасць 89% супраць 63%). Гэта паляпшэнне непасрэдна звязана з ліквідацыяй сукупных памылак, якія ўзнікаюць з-за некалькіх наладак і ручнога перамяшчэння, неабходных у 3-восевым працэсе. Элементы, якія патрабуюць складаных вуглоў, паказалі найбольш значнае павышэнне дакладнасці.
*Малюнак 1: Параўнальныя паказчыкі прадукцыйнасці (5-восевы і 3-восевы)*
4. Абмеркаванне
Вынікі выразна дэманструюць тэхнічныя перавагі 5-восевай апрацоўкі складаных металічных дэталяў па замове. Значнае скарачэнне часу цыклу непасрэдна прыводзіць да зніжэння выдаткаў на дэталь і павелічэння вытворчых магутнасцей. Палепшаная аздабленне паверхні памяншае або цалкам выключае другасныя аперацыі аздаблення, такія як ручная паліроўка, што яшчэ больш зніжае выдаткі і тэрміны выканання, адначасова павышаючы кансістэнцыю дэталі. Павышэнне геаметрычнай дакладнасці мае вырашальнае значэнне для высокапрадукцыйных прымяненняў, такіх як аэракасмічныя рухавікі або медыцынскія імплантаты, дзе функцыянальнасць і бяспека дэталі маюць першараднае значэнне.
Гэтыя перавагі ў першую чаргу вынікаюць з асноўнай магчымасці 5-восевай апрацоўкі: адначасовага шматвосевага руху, што дазваляе апрацоўваць за адзін раз. Гэта выключае памылкі, выкліканыя наладкай, і час апрацоўкі. Акрамя таго, пастаянная аптымальная арыентацыя інструмента (падтрыманне ідэальнай нагрузкі на стружку і сіл рэзання) паляпшае якасць паверхні і дазваляе выкарыстоўваць больш агрэсіўныя стратэгіі апрацоўкі там, дзе дазваляе калянасць інструмента, што спрыяе павелічэнню хуткасці.
Аднак практычнае ўкараненне патрабуе прызнання абмежаванняў. Капітальныя інвестыцыі ў магутны 5-восевы станок і адпаведны інструмент значна вышэйшыя, чым у 3-восевае абсталяванне. Складанасць праграмавання ўзрастае ў геаметрычнай прагрэсіі; стварэнне эфектыўных, безкалізійных 5-восевых траекторый руху інструмента патрабуе высокакваліфікаваных праграмістаў CAM і складанага праграмнага забеспячэння. Мадэляванне і праверка становяцца абавязковымі этапамі перад апрацоўкай. Прыстасаванні павінны забяспечваць як калянасць, так і дастатковы зазор для поўнага кручэння. Гэтыя фактары павышаюць узровень кваліфікацыі, неабходны для аператараў і праграмістаў.
Практычны вынік відавочны: 5-восевая апрацоўка выдатна падыходзіць для вырабу складаных кампанентаў высокай якасці, дзе яе перавагі ў хуткасці, якасці і магчымасцях апраўдваюць больш высокія эксплуатацыйныя выдаткі і інвестыцыі. Для больш простых дэталяў 3-восевая апрацоўка застаецца больш эканамічнай. Поспех залежыць ад інвестыцый як у тэхналогіі, так і ў кваліфікаваны персанал, а таксама ад надзейных інструментаў CAM і мадэлявання. Ранняе супрацоўніцтва паміж канструктарам, вытворчым інжынерам і механічным цэхам мае вырашальнае значэнне для поўнага выкарыстання магчымасцей 5-восевай апрацоўкі пры праектаванні дэталяў для тэхналагічнасці (DFM).
5. Заключэнне
Сучасная 5-восевая апрацоўка на станках з ЧПУ забяспечвае значна лепшае рашэнне для вырабу складаных, высокадакладных металічных дэталяў на заказ у параўнанні з традыцыйнымі 3-восевымі метадамі. Асноўныя вынікі пацвярджаюць:
Значная эфектыўнасць:Скарачэнне часу цыклу на 40-60% дзякуючы апрацоўцы з адным усталяваннем і аптымізаваным траекторыям руху інструмента.
Палепшаная якасць:Паляпшэнне шурпатасці паверхні (Ra) да 35% дзякуючы аптымальнай арыентацыі і кантакту інструмента.
Вышэйшая дакладнасць:Сярэдняе павелічэнне на 28% утрымання крытычных геаметрычных дапушчальных адхіленняў у межах ±0,025 мм, што выключае памылкі з-за некалькіх налад.
Гэтая тэхналогія дазваляе вырабляць складаныя геаметрычныя формы (глыбокія паражніны, паднутрэнні, складаныя крывыя), якія непрактычныя або немагчымыя пры трохвосевай апрацоўцы, што непасрэдна адпавядае зменлівым патрабаванням аэракасмічнай, медыцынскай і энергетычнай галін.
Каб максімальна павялічыць аддачу ад інвестыцый у 5-восевую апрацоўку, вытворцам варта засяродзіцца на складаных і каштоўных дэталях, дзе дакладнасць і тэрміны выканання з'яўляюцца найважнейшымі канкурэнтнымі фактарамі. У будучыні варта вывучыць інтэграцыю 5-восевай апрацоўкі з метралогіяй у працэсе вытворчасці для кантролю якасці ў рэжыме рэальнага часу і апрацоўкі ў замкнёным цыкле, што яшчэ больш павысіць дакладнасць і паменшыць колькасць браку. Працяг даследаванняў адаптыўных стратэгій апрацоўкі з выкарыстаннем гнуткасці 5-восевай апрацоўкі для цяжкаапрацоўваемых матэрыялаў, такіх як інконель або загартаваныя сталі, таксама прадстаўляе сабой каштоўны кірунак.
