Izrada metalnih dijelova po narudžbi s 5-osnom obradom

Izrada metalnih dijelova po narudžbi s 5-osnom obradom

Autor:PFT, Shenzhen

Sažetak:Napredna proizvodnja zahtijeva sve složenije, visokoprecizne metalne komponente u zrakoplovnom, medicinskom i energetskom sektoru. Ova analiza procjenjuje mogućnosti moderne 5-osne računalno numeričke obrade (CNC) u ispunjavanju tih zahtjeva. Koristeći referentne geometrije reprezentativne za složena impelera i lopatice turbina, provedena su ispitivanja obrade uspoređujući 5-osne s tradicionalnim 3-osnim metodama na titanu (Ti-6Al-4V) i nehrđajućem čeliku (316L) zrakoplovne kvalitete. Rezultati pokazuju smanjenje vremena obrade od 40-60% i poboljšanje hrapavosti površine (Ra) do 35% s 5-osnom obradom, što se može pripisati smanjenom broju postavki i optimiziranoj orijentaciji alata. Geometrijska točnost za značajke unutar tolerancije od ±0,025 mm povećala se u prosjeku za 28%. Iako zahtijeva značajno početno znanje programiranja i ulaganja, 5-osna obrada omogućuje pouzdanu proizvodnju prethodno neizvedivih geometrija s vrhunskom učinkovitošću i završnom obradom. Ove mogućnosti pozicioniraju 5-osnu tehnologiju kao bitnu za izradu visokovrijednih, složenih prilagođenih metalnih dijelova.

1. Uvod
Neumorna težnja za optimizacijom performansi u industrijama poput zrakoplovstva (koja zahtijeva lakše i jače dijelove), medicine (koja zahtijeva biokompatibilne implantate specifične za pacijenta) i energetike (koja zahtijeva složene komponente za rukovanje tekućinama) pomaknula je granice složenosti metalnih dijelova. Tradicionalna 3-osna CNC obrada, ograničena ograničenim pristupom alatima i višestrukim potrebnim postavkama, bori se sa zamršenim konturama, dubokim šupljinama i značajkama koje zahtijevaju složene kutove. Ta ograničenja rezultiraju smanjenom točnošću, produljenim vremenom proizvodnje, većim troškovima i ograničenjima dizajna. Do 2025. godine, mogućnost učinkovite proizvodnje vrlo složenih, preciznih metalnih dijelova više nije luksuz već konkurentska nužnost. Moderna 5-osna CNC obrada, koja nudi istovremenu kontrolu nad tri linearne osi (X, Y, Z) i dvije rotacijske osi (A, B ili C), predstavlja transformativno rješenje. Ova tehnologija omogućuje alatu za rezanje da pristupi obratku iz gotovo bilo kojeg smjera u jednom postavu, temeljno prevladavajući ograničenja pristupa svojstvena 3-osnoj obradi. Ovaj članak ispituje specifične mogućnosti, kvantificirane prednosti i praktična razmatranja implementacije 5-osne obrade za proizvodnju metalnih dijelova po narudžbi.

2. Metode
2.1 Dizajn i mjerenje
Dva referentna dijela dizajnirana su pomoću Siemens NX CAD softvera, utjelovljujući uobičajene izazove u proizvodnji po narudžbi:

Impeler:Sadrži složene, uvijene lopatice s visokim omjerom stranica i uskim razmacima.

Lopatica turbine:Uključujući složene zakrivljenosti, tanke stijenke i precizne montažne površine.
Ovi su dizajni namjerno uključivali podreze, duboke džepove i značajke koje zahtijevaju neortogonalni pristup alatu, posebno ciljajući na ograničenja 3-osne obrade.

2.2 Materijali i oprema

Materijali:Titan zrakoplovne kvalitete (Ti-6Al-4V, žareno stanje) i nehrđajući čelik 316L odabrani su zbog svoje relevantnosti u zahtjevnim primjenama i različitih karakteristika obrade.

Strojevi:

5-osni:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (upravljački sustav Heidenhain TNC 640).

3-osni:HAAS VF-4SS (HAAS NGC upravljanje).

Alati:Za grubu i završnu obradu korištena su obložena glodala od tvrdog metala (različitih promjera, kuglasta i ravna) tvrtki Kennametal i Sandvik Coromant. Parametri rezanja (brzina, posmak, dubina rezanja) optimizirani su prema materijalu i mogućnostima stroja korištenjem preporuka proizvođača alata i kontroliranih probnih rezova.

Prihvat obratka:Prilagođeni, precizno obrađeni modularni pribori osigurali su čvrsto stezanje i ponovljivu poziciju za oba tipa strojeva. Za 3-osna ispitivanja, dijelovi koji zahtijevaju rotaciju ručno su premještani pomoću preciznih tipli, simulirajući tipičnu praksu u radionici. 5-osna ispitivanja koristila su punu rotacijsku sposobnost stroja unutar jednog postavljanja pribora.

2.3 Prikupljanje i analiza podataka

Vrijeme ciklusa:Mjeri se izravno s timera stroja.

Hrapavost površine (Ra):Mjereno pomoću profilometra Mitutoyo Surftest SJ-410 na pet kritičnih mjesta po dijelu. Tri dijela su obrađena po kombinaciji materijala/stroja.

Geometrijska točnost:Skenirano pomoću Zeiss CONTURA G2 koordinatnog mjernog stroja (CMM). Kritične dimenzije i geometrijske tolerancije (ravnost, okomitost, profil) uspoređene su s CAD modelima.

Statistička analiza:Prosječne vrijednosti i standardne devijacije izračunate su za vrijeme ciklusa i mjerenja Ra. Podaci CMM-a analizirani su na odstupanja od nominalnih dimenzija i stope usklađenosti s tolerancijama.

Tablica 1: Sažetak eksperimentalnih postavki

3. Rezultati i analiza
3.1 Povećanje učinkovitosti
5-osna obrada pokazala je značajne uštede vremena. Za titanski impeler, 5-osna obrada smanjila je vrijeme ciklusa za 58% u usporedbi s 3-osnom obradom (2,1 sat u odnosu na 5,0 sati). Lopatica turbine od nehrđajućeg čelika pokazala je smanjenje od 42% (1,8 sati u odnosu na 3,1 sat). Ovi dobici prvenstveno su rezultat uklanjanja višestrukih postavki i povezanog vremena ručnog rukovanja/ponovnog učvršćivanja te omogućavanja učinkovitijih putanja alata s duljim, kontinuiranim rezovima zbog optimizirane orijentacije alata.

3.2 Poboljšanje kvalitete površine
Hrapavost površine (Ra) se dosljedno poboljšavala 5-osnom obradom. Na složenim površinama lopatica titanskog impelera, prosječne vrijednosti Ra smanjile su se za 32% (0,8 µm u odnosu na 1,18 µm). Slična poboljšanja uočena su na lopaticama turbine od nehrđajućeg čelika (Ra smanjen za 35%, u prosjeku 0,65 µm u odnosu na 1,0 µm). Ovo poboljšanje pripisuje se sposobnosti održavanja konstantnog, optimalnog kontaktnog kuta rezanja i smanjenim vibracijama alata zbog bolje krutosti alata u kraćim produžecima alata.

3.3 Poboljšanje geometrijske točnosti
CMM analiza potvrdila je vrhunsku geometrijsku točnost s 5-osnom obradom. Postotak kritičnih značajki unutar stroge tolerancije od ±0,025 mm značajno se povećao: za 30% za titanski impeler (postizanje 92% usklađenosti u odnosu na 62%) i za 26% za lopaticu od nehrđajućeg čelika (postizanje 89% usklađenosti u odnosu na 63%). Ovo poboljšanje izravno proizlazi iz uklanjanja kumulativnih pogrešaka uzrokovanih višestrukim postavkama i ručnim premještanjem potrebnim u 3-osnom procesu. Značajke koje zahtijevaju složene kutove pokazale su najveća poboljšanja u točnosti.

*Slika 1: Usporedne metrike performansi (5-osni u odnosu na 3-osni)*

4. Rasprava
Rezultati jasno utvrđuju tehničke prednosti 5-osne obrade za složene metalne dijelove po narudžbi. Značajno smanjenje vremena ciklusa izravno se prevodi u niže troškove po dijelu i povećani proizvodni kapacitet. Poboljšana završna obrada površine smanjuje ili eliminira sekundarne operacije završne obrade poput ručnog poliranja, dodatno smanjujući troškove i vrijeme isporuke, a istovremeno poboljšavajući konzistentnost dijela. Skok u geometrijskoj točnosti ključan je za visokoučinkovite primjene poput zrakoplovnih motora ili medicinskih implantata, gdje su funkcija i sigurnost dijela od najveće važnosti.

Ove prednosti prvenstveno proizlaze iz osnovne mogućnosti 5-osne obrade: istovremenog višeosnog kretanja koje omogućuje obradu s jednim podešavanjem. To eliminira pogreške uzrokovane podešavanjem i vrijeme rukovanja. Nadalje, kontinuirana optimalna orijentacija alata (održavanje idealnog opterećenja strugotine i sila rezanja) poboljšava obradu površine i omogućuje agresivnije strategije obrade tamo gdje to dopušta krutost alata, doprinoseći povećanju brzine.

Međutim, praktična primjena zahtijeva uvažavanje ograničenja. Kapitalna ulaganja za sposoban 5-osni stroj i odgovarajući alat znatno su veća nego za 3-osnu opremu. Složenost programiranja raste eksponencijalno; generiranje učinkovitih, 5-osnih putanja alata bez kolizija zahtijeva visokokvalificirane CAM programere i sofisticirani softver. Simulacija i verifikacija postaju obvezni koraci prije obrade. Stezač mora osigurati i krutost i dovoljan razmak za puni rotacijski hod. Ovi čimbenici podižu razinu vještina potrebnu za operatere i programere.

Praktična implikacija je jasna: 5-osna obrada izvrsna je za visokovrijedne, složene komponente gdje njezine prednosti u brzini, kvaliteti i mogućnostima opravdavaju veće operativne troškove i ulaganja. Za jednostavnije dijelove, 3-osna obrada ostaje ekonomičnija. Uspjeh ovisi o ulaganju u tehnologiju i kvalificirano osoblje, zajedno s robusnim CAM i alatima za simulaciju. Rana suradnja između dizajna, proizvodnog inženjerstva i strojarske radionice ključna je za potpuno iskorištavanje 5-osnih mogućnosti prilikom dizajniranja dijelova za proizvodnost (DFM).

5. Zaključak
Moderna 5-osna CNC obrada pruža dokazano superiorno rješenje za proizvodnju složenih, visokopreciznih prilagođenih metalnih dijelova u usporedbi s tradicionalnim 3-osnim metodama. Ključni nalazi potvrđuju:

Značajna učinkovitost:Smanjenje vremena ciklusa od 40-60% kroz obradu s jednim podešavanjem i optimizirane putanje alata.

Poboljšana kvaliteta:Poboljšanja hrapavosti površine (Ra) do 35% zahvaljujući optimalnoj orijentaciji i kontaktu alata.

Vrhunska točnost:Prosječno povećanje od 28% u održavanju kritičnih geometrijskih tolerancija unutar ±0,025 mm, čime se eliminiraju pogreške uzrokovane višestrukim postavkama.
Tehnologija omogućuje izradu složenih geometrija (duboke šupljine, podrezi, složene krivulje) koje su nepraktične ili nemoguće s 3-osnom obradom, izravno se baveći rastućim zahtjevima zrakoplovnog, medicinskog i energetskog sektora.

Kako bi se maksimizirao povrat ulaganja u 5-osne mogućnosti, proizvođači bi se trebali usredotočiti na visoko složene, visokovrijedne dijelove gdje su preciznost i vrijeme isporuke ključni konkurentski čimbenici. Budući rad trebao bi istražiti integraciju 5-osne obrade s mjeriteljstvom tijekom procesa za kontrolu kvalitete u stvarnom vremenu i obradu u zatvorenoj petlji, dodatno poboljšavajući preciznost i smanjujući otpad. Kontinuirano istraživanje adaptivnih strategija obrade koje iskorištavaju fleksibilnost 5-osne obrade za teško obradive materijale poput Inconela ili kaljenih čelika također predstavlja vrijedan smjer.