Individualių metalinių detalių gamyba naudojant 5 ašių apdirbimą
Individualių metalinių detalių gamyba naudojant 5 ašių apdirbimą
Autorius:PFT, Šendženas
Santrauka:Pažangi gamyba reikalauja vis sudėtingesnių, didelio tikslumo metalinių komponentų aviacijos ir kosmoso, medicinos ir energetikos sektoriuose. Šioje analizėje įvertinamos šiuolaikinio 5 ašių kompiuterinio skaitmeninio valdymo (CNC) apdirbimo galimybės atitikti šiuos reikalavimus. Naudojant etalonines geometrijas, reprezentuojančias sudėtingus sparnuotes ir turbinų mentes, buvo atlikti apdirbimo bandymai, lyginant 5 ašių ir tradicinius 3 ašių metodus su aviacijos ir kosmoso klasės titanu (Ti-6Al-4V) ir nerūdijančiu plienu (316L). Rezultatai rodo, kad apdirbant 5 ašimis, apdirbimo laikas sutrumpėjo 40–60 %, o paviršiaus šiurkštumas (Ra) pagerėjo iki 35 %, o tai galima pasiekti dėl sumažintų nustatymų ir optimizuotos įrankių orientacijos. Geometrinis tikslumas, kai elementų tolerancija yra ±0,025 mm, vidutiniškai padidėjo 28 %. Nors 5 ašių apdirbimui reikia didelių išankstinių programavimo žinių ir investicijų, jis leidžia patikimai gaminti anksčiau neįmanomas geometrijas, pasižymint didesniu efektyvumu ir apdaila. Šios galimybės 5 ašių technologiją paverčia būtinu didelės vertės, sudėtingų, pagal užsakymą pagamintų metalinių detalių gamybai.
1. Įvadas
Nuolatinis našumo optimizavimo siekis tokiose pramonės šakose kaip aviacijos ir kosmoso pramonė (reikalaujanti lengvesnių, tvirtesnių dalių), medicinos pramonė (reikalaujanti biologiškai suderinamų, pacientui pritaikytų implantų) ir energetikos pramonė (reikalingi sudėtingi skysčių tvarkymo komponentai) peržengė metalinių detalių sudėtingumo ribas. Tradicinis 3 ašių CNC apdirbimas, kurį riboja ribota prieiga prie įrankių ir keli reikalingi nustatymai, sunkiai susidoroja su sudėtingais kontūrais, giliomis ertmėmis ir ypatybėmis, kurioms reikalingi sudėtiniai kampai. Šie apribojimai lemia mažesnį tikslumą, ilgesnį gamybos laiką, didesnes išlaidas ir projektavimo apribojimus. Iki 2025 m. galimybė efektyviai gaminti labai sudėtingas, tikslias metalines detales nebėra prabanga, o konkurencinė būtinybė. Modernus 5 ašių CNC apdirbimas, siūlantis vienu metu valdyti tris tiesines ašis (X, Y, Z) ir dvi sukimosi ašis (A, B arba C), siūlo transformuojantį sprendimą. Ši technologija leidžia pjovimo įrankiui prieiti prie ruošinio praktiškai iš bet kurios krypties vienu nustatymu, iš esmės įveikiant 3 ašių apdirbimui būdingus prieigos apribojimus. Šiame straipsnyje nagrinėjamos konkrečios 5 ašių apdirbimo galimybės, kiekybiniai privalumai ir praktiniai įgyvendinimo aspektai, skirti individualių metalinių detalių gamybai.
2. Metodai
2.1 Projektavimas ir lyginamoji analizė
Dvi etaloninės dalys buvo suprojektuotos naudojant „Siemens NX CAD“ programinę įrangą, įkūnijančią dažniausiai pasitaikančius individualios gamybos iššūkius:
Sparnuotė:Pasižymi sudėtingomis, susuktomis mentėmis su dideliais kraštinių santykiais ir nedideliais tarpais.
Turbinos mentė:Sudėtiniai išlinkiai, plonos sienelės ir tikslūs tvirtinimo paviršiai.
Šiuose projektuose sąmoningai buvo numatyti įpjovimai, gilios kišenės ir elementai, kuriems reikalinga neortogonali įrankių prieiga, ypač atsižvelgiant į 3 ašių apdirbimo apribojimus.
2.2 Medžiagos ir įranga
Medžiagos:Dėl savo tinkamumo sudėtingoms reikmėms ir išskirtinių apdirbimo savybių buvo pasirinktas aviacijos ir kosmoso klasės titanas (Ti-6Al-4V, atkaitintas) ir 316L nerūdijantis plienas.
Mašinos:
5 ašių:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (su Heidenhain TNC 640 valdymu).
3 ašių:HAAS VF-4SS (HAAS NGC valdymas).
Įrankiai:Grubiam apdirbimui ir apdailai buvo naudojamos „Kennametal“ ir „Sandvik Coromant“ dengtos kietojo kietojo metalo frezos (įvairių skersmenų, su apvalia nosimi ir plokščia nosimi). Pjovimo parametrai (greitis, pastūma, pjovimo gylis) buvo optimizuoti pagal medžiagą ir staklių galimybes, naudojant įrankių gamintojų rekomendacijas ir kontroliuojamus bandomuosius pjūvius.
Apdorojimo laikiklis:Tiksliai pagaminti moduliniai tvirtinimo elementai užtikrino tvirtą prispaudimą ir kartojamą abiejų tipų staklių padėtį. Trijų ašių bandymuose dalys, kurias reikėjo pasukti, buvo rankiniu būdu perkeliamos naudojant tikslius kaiščius, imituojant įprastą cecho praktiką. Penkių ašių bandymuose buvo išnaudotos visos staklių sukimosi galimybės vienoje tvirtinimo detalių konfigūracijoje.
2.3 Duomenų rinkimas ir analizė
Ciklo laikas:Matuojama tiesiai iš mašinų laikmačių.
Paviršiaus šiurkštumas (Ra):Matuota naudojant „Mitutoyo Surftest SJ-410“ profilometrą penkiose svarbiose kiekvienos detalės vietose. Iš kiekvienos medžiagos ir staklių derinio buvo apdirbtos trys detalės.
Geometrinis tikslumas:Nuskenuota naudojant „Zeiss CONTURA G2“ koordinačių matavimo mašiną (KMM). Kritiniai matmenys ir geometriniai tolerancijos (plokštumas, statmenumas, profilis) buvo palyginti su CAD modeliais.
Statistinė analizė:Buvo apskaičiuotos ciklo trukmės ir Ra matavimų vidutinės vertės ir standartiniai nuokrypiai. CMM duomenys buvo analizuojami siekiant nustatyti nuokrypius nuo nominalių matmenų ir tolerancijos atitikties rodiklius.
1 lentelė. Eksperimentinės sąrankos santrauka
| Elementas | 5 ašių sąranka | 3 ašių sąranka |
|---|---|---|
| Mašina | DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5 ašių) | HAAS VF-4SS (3 ašių) |
| Armatūra | Vienas pritaikytas šviestuvas | Vienas pasirinktinis tvirtinimo elementas + rankinis pasukimas |
| Nustatymų skaičius | 1 | 3 (sparnuotė), 4 (turbinos mentė) |
| CAM programinė įranga | „Siemens NX CAM“ (daugiaašės įrankių trajektorijos) | „Siemens NX CAM“ (3 ašių įrankių trajektorijos) |
| Matavimas | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Rezultatai ir analizė
3.1 Efektyvumo padidėjimas
5 ašių apdirbimas parodė didelį laiko sutaupymą. Titano sparnuotės atveju 5 ašių apdirbimas sutrumpino ciklo laiką 58 %, palyginti su 3 ašių apdirbimu (2,1 val., palyginti su 5,0 val.). Nerūdijančio plieno turbinos mentės ciklo laikas sutrumpėjo 42 % (1,8 val., palyginti su 3,1 val.). Šis pagerėjimas daugiausia atsirado dėl to, kad reikėjo atsisakyti daugybės nustatymų ir su tuo susijusio rankinio tvarkymo / pakartotinio tvirtinimo laiko, taip pat dėl optimizuotos įrankių orientacijos buvo galima naudoti efektyvesnes įrankių trajektorijas su ilgesniais, nepertraukiamais pjūviais.
3.2 Paviršiaus kokybės gerinimas
Paviršiaus šiurkštumas (Ra) nuosekliai mažėjo taikant 5 ašių apdirbimą. Sudėtinguose titano sparnuotės menčių paviršiuose vidutinės Ra vertės sumažėjo 32 % (0,8 µm, palyginti su 1,18 µm). Panašūs patobulinimai pastebėti ir nerūdijančio plieno turbinos mentėje (Ra sumažėjo 35 %, vidutiniškai 0,65 µm, palyginti su 1,0 µm). Šis pagerėjimas siejamas su gebėjimu išlaikyti pastovų, optimalų pjovimo kontaktinį kampą ir sumažinti įrankio vibraciją dėl geresnio įrankio standumo trumpesniuose įrankio prailginimuose.
3.3 Geometrinio tikslumo didinimas
KMM analizė patvirtino didesnį geometrinį tikslumą naudojant 5 ašių apdirbimą. Svarbiausių elementų, išlaikančių griežtą ±0,025 mm toleranciją, procentinė dalis žymiai padidėjo: 30 % titano sparnuotės atveju (pasiekta 92 % atitiktis, palyginti su 62 %) ir 26 % nerūdijančio plieno mentės atveju (pasiekta 89 % atitiktis, palyginti su 63 %). Šis pagerėjimas tiesiogiai susijęs su kaupiamųjų klaidų, atsirandančių dėl kelių nustatymų ir rankinio padėties keitimo, reikalingo 3 ašių procese, pašalinimu. Didžiausią tikslumo padidėjimą parodė elementai, kuriems reikėjo sudėtinių kampų.
*1 pav.: Lyginamoji našumo metrika (5 ašių ir 3 ašių)*
4. Diskusija
Rezultatai aiškiai įrodo 5 ašių apdirbimo techninius pranašumus sudėtingoms, nestandartinėms metalinėms detalėms. Žymus ciklo laiko sutrumpinimas tiesiogiai reiškia mažesnes vienos detalės sąnaudas ir didesnius gamybos pajėgumus. Patobulinta paviršiaus apdaila sumažina arba panaikina antrines apdailos operacijas, tokias kaip rankinis poliravimas, dar labiau sumažinant sąnaudas ir gamybos laiką, tuo pačiu pagerinant detalės nuoseklumą. Geometrinio tikslumo šuolis yra labai svarbus didelio našumo reikmėms, tokioms kaip aviacijos ir kosmoso varikliai ar medicininiai implantai, kur detalės funkcionalumas ir saugumas yra svarbiausi.
Šie privalumai pirmiausia kyla iš pagrindinės 5 ašių apdirbimo galimybės: vienalaikis kelių ašių judėjimas, leidžiantis apdoroti vienu nustatymu. Tai pašalina nustatymų sukeltas klaidas ir apdorojimo laiką. Be to, nuolatinis optimalus įrankio orientavimas (išlaikant idealų drožlių apkrovą ir pjovimo jėgas) pagerina paviršiaus apdirbimą ir leidžia taikyti agresyvesnes apdirbimo strategijas, kai tai leidžia įrankio standumas, o tai prisideda prie greičio padidėjimo.
Tačiau praktinis pritaikymas reikalauja pripažinti apribojimus. Kapitalo investicijos į galingą 5 ašių stakles ir tinkamus įrankius yra gerokai didesnės nei į 3 ašių įrangą. Programavimo sudėtingumas didėja eksponentiškai; norint sukurti efektyvias, be susidūrimų 5 ašių įrankių trajektorijas, reikia aukštos kvalifikacijos CAM programuotojų ir modernios programinės įrangos. Modeliavimas ir patikrinimas tampa privalomais žingsniais prieš apdirbimą. Tvirtinimas turi užtikrinti ir standumą, ir pakankamą laisvumą visai sukimosi eigai. Šie veiksniai padidina operatorių ir programuotojų įgūdžių lygį.
Praktinė nauda aiški: 5 ašių apdirbimas puikiai tinka didelės vertės, sudėtingiems komponentams, kur jo pranašumai greičio, kokybės ir galimybių srityje pateisina didesnes eksploatavimo išlaidas ir investicijas. Paprastesnėms detalėms 3 ašių apdirbimas išlieka ekonomiškesnis. Sėkmė priklauso nuo investicijų į technologijas ir kvalifikuotą personalą, taip pat nuo patikimų CAM ir modeliavimo įrankių. Ankstyvas projektavimo, gamybos inžinerijos ir mechaninių dirbtuvių bendradarbiavimas yra labai svarbus norint visapusiškai išnaudoti 5 ašių galimybes projektuojant detales, atsižvelgiant į gamybos patogumą (DFM).
5. Išvada
Šiuolaikinis 5 ašių CNC apdirbimas suteikia akivaizdžiai pranašesnį sprendimą gaminti sudėtingas, didelio tikslumo, nestandartines metalines detales, palyginti su tradiciniais 3 ašių metodais. Svarbiausi rezultatai patvirtina:
Reikšmingas efektyvumas:Ciklo laikas sutrumpinamas 40–60 % dėl vieno nustatymų apdirbimo ir optimizuotų įrankių trajektorijų.
Pagerinta kokybė:Paviršiaus šiurkštumas (Ra) pagerėja iki 35 % dėl optimalaus įrankio orientavimo ir kontakto.
Puikus tikslumas:Vidutiniškai 28 % padidėja kritinių geometrinių tolerancijų dydis ±0,025 mm ribose, pašalinant klaidas, atsirandančias dėl kelių nustatymų.
Ši technologija leidžia gaminti sudėtingas geometrines figūras (gilius ertmes, įpjovimus, sudėtines kreives), kurios yra nepraktiškos arba neįmanomos naudojant 3 ašių apdirbimą, tiesiogiai tenkinant besikeičiančius aviacijos ir kosmoso, medicinos ir energetikos sektorių poreikius.
Siekdami maksimaliai padidinti investicijų į 5 ašių galimybes grąžą, gamintojai turėtų sutelkti dėmesį į labai sudėtingas, didelės vertės detales, kur tikslumas ir gamybos laikas yra svarbiausi konkurenciniai veiksniai. Būsimuose darbuose reikėtų ištirti 5 ašių apdirbimo integravimą su proceso metu vykdoma metrologija, siekiant užtikrinti kokybės kontrolę realiuoju laiku ir uždarojo ciklo apdirbimą, dar labiau padidinant tikslumą ir sumažinant atliekų kiekį. Vertingą kryptį taip pat suteikia tolesni adaptyviųjų apdirbimo strategijų, išnaudojančių 5 ašių lankstumą sunkiai apdirbamoms medžiagoms, tokioms kaip Inconel plienas ar grūdintas plienas, tyrimai.
