Մետաղական մասերի պատվերով արտադրություն՝ 5-առանցքային մեքենայական մշակմամբ
Մետաղական մասերի պատվերով արտադրություն՝ 5-առանցքային մեքենայական մշակմամբ
Հեղինակ՝PFT, Շենժեն
Աբստրակտ:Առաջադեմ արտադրությունը պահանջում է ավելի ու ավելի բարդ, բարձր ճշգրտության մետաղական բաղադրիչներ ավիատիեզերական, բժշկական և էներգետիկ ոլորտներում: Այս վերլուծությունը գնահատում է ժամանակակից 5-առանցքային համակարգչային թվային կառավարման (CNC) մեքենամշակման հնարավորությունները՝ այս պահանջները բավարարելու համար: Օգտագործելով բարդ թևերի և տուրբինային շեղբերի ներկայացնող չափորոշիչային երկրաչափություններ, մեքենամշակման փորձարկումներ են անցկացվել՝ համեմատելով 5-առանցքային և ավանդական 3-առանցքային մեթոդները ավիատիտանի (Ti-6Al-4V) և չժանգոտվող պողպատի (316L) վրա: Արդյունքները ցույց են տալիս մեքենամշակման ժամանակի 40-60% կրճատում և մակերեսի կոպտության (Ra) մինչև 35% բարելավում՝ 5-առանցքային մշակմամբ, ինչը պայմանավորված է կարգավորումների կրճատմամբ և գործիքների օպտիմալացված կողմնորոշմամբ: ±0.025 մմ հանդուրժողականության սահմաններում գտնվող հատկանիշների երկրաչափական ճշգրտությունը միջինում աճել է 28%-ով: Չնայած նախնական ծրագրավորման զգալի փորձագիտություն և ներդրումներ պահանջելուն, 5-առանցքային մեքենամշակումը հնարավորություն է տալիս հուսալիորեն արտադրել նախկինում անիրագործելի երկրաչափություններ՝ գերազանց արդյունավետությամբ և ավարտով: Այս հնարավորությունները 5-առանցքային տեխնոլոգիան դարձնում են կարևորագույն բարձր արժեք ունեցող, բարդ, պատվերով պատրաստված մետաղական մասերի արտադրության համար:
1. Ներածություն
Աէրոտիեզերական (պահանջում է ավելի թեթև, ամուր մասեր), բժշկական (պահանջում է կենսահամատեղելի, հիվանդի համար հատուկ իմպլանտներ) և էներգետիկ (պահանջում է բարդ հեղուկների մշակման բաղադրիչներ) ոլորտներում կատարողականի օպտիմալացման անդադար ձգտումը ընդլայնել է մետաղական մասերի բարդության սահմանները: Ավանդական 3-առանցքային CNC մեքենամշակումը, որը սահմանափակված է գործիքների սահմանափակ հասանելիությամբ և բազմաթիվ պահանջվող կարգավորումներով, պայքարում է բարդ ուրվագծերի, խորը խոռոչների և բարդ անկյուններ պահանջող առանձնահատկությունների հետ: Այս սահմանափակումները հանգեցնում են ճշգրտության նվազման, արտադրության ժամանակի երկարացման, ավելի բարձր ծախսերի և նախագծային սահմանափակումների: Մինչև 2025 թվականը բարդ, ճշգրիտ մետաղական մասեր արդյունավետորեն արտադրելու հնարավորությունը այլևս շքեղություն չէ, այլ մրցակցային անհրաժեշտություն: Ժամանակակից 5-առանցքային CNC մեքենամշակումը, որն առաջարկում է երեք գծային առանցքների (X, Y, Z) և երկու պտտման առանցքների (A, B կամ C) միաժամանակյա կառավարում, ներկայացնում է փոխակերպող լուծում: Այս տեխնոլոգիան թույլ է տալիս կտրող գործիքին մոտենալ աշխատանքային մասին գրեթե ցանկացած ուղղությունից մեկ կարգավորումներով՝ հիմնարար կերպով հաղթահարելով 3-առանցքային մեքենամշակմանը բնորոշ մուտքի սահմանափակումները: Այս հոդվածը ուսումնասիրում է 5-առանցքային մեքենամշակման կոնկրետ հնարավորությունները, քանակականացված առավելությունները և գործնական իրականացման նկատառումները՝ պատվերով պատրաստված մետաղական մասերի արտադրության համար:
2. Մեթոդներ
2.1 Դիզայն և համեմատություն
Siemens NX CAD ծրագրաշարի միջոցով նախագծվել են երկու չափանիշային մասեր, որոնք մարմնավորում են պատվերով արտադրության մեջ առկա տարածված մարտահրավերները.
Թիփլերը՝Առանձնանում են բարդ, ոլորված շեղբերով՝ բարձր կողմերի հարաբերակցությամբ և փոքր բացվածքներով։
Տուրբինի շեղբ՝Ներառում է բարդ կորություններ, բարակ պատեր և ճշգրիտ ամրացման մակերեսներ։
Այս նախագծերը միտումնավոր ներառում էին կտրվածքներ, խորը գրպաններ և գործիքներին ոչ ուղղանկյուն մուտք պահանջող առանձնահատկություններ՝ հատուկ ուղղված լինելով եռաառանցք մեքենայացման սահմանափակումներին։
2.2 Նյութեր և սարքավորումներ
Նյութեր՝Ավիատիեզերական դասի տիտանը (Ti-6Al-4V, թրծված վիճակում) և 316L չժանգոտվող պողպատը ընտրվել են պահանջկոտ կիրառություններում դրանց համապատասխանության և մեքենայական մշակման առանձնահատուկ բնութագրերի համար։
Մեքենաներ՝
5-առանցքային:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (Heidenhain TNC 640 կառավարում):
3-Առանցքային:HAAS VF-4SS (HAAS NGC կառավարում):
Գործիքավորում:Քերծվածքային մշակման և վերջնական մշակման համար օգտագործվել են Kennametal և Sandvik Coromant ընկերությունների պինդ կարբիդային ծայրերով պատված ֆրեզերային հաստոցներ (տարբեր տրամագծերի, գնդիկավոր քթով և հարթ ծայրերով): Կտրման պարամետրերը (արագություն, սնուցում, կտրման խորություն) օպտիմալացվել են ըստ նյութի և մեքենայի հնարավորությունների՝ օգտագործելով գործիք արտադրողի առաջարկությունները և վերահսկվող փորձնական կտրվածքները:
Աշխատանքային հենարան:Հատուկ, ճշգրիտ մեքենայացված մոդուլային հարմարանքները ապահովեցին կոշտ ամրացում և կրկնվող դիրք երկու մեքենաների համար էլ: Եռաառանցքային փորձարկումների համար պտտման կարիք ունեցող մասերը ձեռքով վերադասավորվեցին ճշգրիտ ցցերի միջոցով՝ ընդօրինակելով արտադրամասի բնորոշ պրակտիկան: 5-առանցքային փորձարկումներում օգտագործվեց մեքենայի ամբողջական պտտման հնարավորությունը՝ մեկ հարմարանքի կարգավորման շրջանակներում:
2.3 Տվյալների ձեռքբերում և վերլուծություն
Ցիկլի տևողությունը՝Չափվում է անմիջապես մեքենայի ժամանակաչափերից։
Մակերեսի կոպտություն (Ra):Չափվել է Mitutoyo Surftest SJ-410 պրոֆիլոմետրով՝ յուրաքանչյուր մասի հինգ կարևորագույն կետերում: Յուրաքանչյուր նյութի/մեքենայի համադրության համար մշակվել է երեք մաս:
Երկրաչափական ճշգրտություն՝Սկանավորվել է Zeiss CONTURA G2 կոորդինատային չափման սարքի (CMM) միջոցով: Կրիտիկական չափերը և երկրաչափական թույլատրելի շեղումները (հարթություն, ուղղահայացություն, պրոֆիլ) համեմատվել են CAD մոդելների հետ:
Վիճակագրական վերլուծություն.Միջին արժեքները և ստանդարտ շեղումները հաշվարկվել են ցիկլի ժամանակի և Ra չափումների համար: CMM տվյալները վերլուծվել են անվանական չափսերից շեղման և հանդուրժողականության համապատասխանության մակարդակների համար:
Աղյուսակ 1. Փորձարարական կարգավորման ամփոփում
| Տարր | 5-առանցքային կարգավորում | 3-առանցքային կարգավորում |
|---|---|---|
| Մեքենա | DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5-առանցք) | HAAS VF-4SS (3 առանցք) |
| Հարմարեցում | Միակ պատվերով պատրաստված հարմարանք | Մեկ անհատական հարմարանք + ձեռքով պտույտներ |
| Կարգավորումների քանակը | 1 | 3 (թմբուկ), 4 (տուրբինային շեղբ) |
| CAM ծրագրային ապահովում | Siemens NX CAM (բազմաառանցքային գործիքային ուղիներ) | Siemens NX CAM (3 առանցքային գործիքային ուղիներ) |
| Չափում | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Արդյունքներ և վերլուծություն
3.1 Արդյունավետության աճ
5-առանցքային մեքենայացումը ցույց տվեց ժամանակի զգալի խնայողություն: Տիտանի թևիկի դեպքում 5-առանցքային մշակումը ցիկլի ժամանակը կրճատեց 58%-ով՝ համեմատած 3-առանցքային մեքենայացման հետ (2.1 ժամ՝ 5.0 ժամի դիմաց): Չժանգոտվող պողպատե տուրբինային շեղբը ցույց տվեց 42% կրճատում (1.8 ժամ՝ 3.1 ժամի դիմաց): Այս ձեռքբերումները հիմնականում պայմանավորված էին բազմակի կարգավորումների և դրանց հետ կապված ձեռքով մշակման/վերաամրացման ժամանակի վերացմամբ, ինչպես նաև գործիքի ավելի արդյունավետ ուղիներով՝ ավելի երկար, շարունակական կտրվածքներով՝ գործիքի օպտիմալացված կողմնորոշման շնորհիվ:
3.2 Մակերեսի որակի բարելավում
Մակերեսի կոպտությունը (Ra) կայունորեն բարելավվել է 5-առանցքային մեքենայացման միջոցով: Տիտանիե թևիկի բարդ շեղբերի մակերեսների վրա Ra-ի միջին արժեքները նվազել են 32%-ով (0.8 մկմ ընդդեմ 1.18 մկմ): Նմանատիպ բարելավումներ են նկատվել նաև չժանգոտվող պողպատե տուրբինային շեղբի վրա (Ra-ն նվազել է 35%-ով՝ միջինում կազմելով 0.65 մկմ ընդդեմ 1.0 մկմ): Այս բարելավումը պայմանավորված է կտրման շփման անկյունը հաստատուն, օպտիմալ պահպանելու և գործիքի թրթռումը նվազեցնելու ունակությամբ՝ գործիքի ավելի կարճ երկարություններում ավելի լավ կոշտության միջոցով:
3.3 Երկրաչափական ճշգրտության բարձրացում
CMM վերլուծությունը հաստատեց 5-առանցքային մշակման գերազանց երկրաչափական ճշգրտությունը: ±0.025 մմ խիստ թույլատրելի սահմաններում պահպանվող կարևորագույն հատկանիշների տոկոսը զգալիորեն աճել է՝ 30%-ով տիտանից պատրաստված թևիկի համար (հասնելով 92% համապատասխանության՝ 62%-ի համեմատ) և 26%-ով չժանգոտվող պողպատից պատրաստված թևի համար (հասնելով 89% համապատասխանության՝ 63%-ի համեմատ): Այս բարելավումը ուղղակիորեն բխում է բազմակի կարգավորումների և 3-առանցքային գործընթացում անհրաժեշտ ձեռքով վերադասավորման հետևանքով առաջացած կուտակային սխալների վերացումից: Բարդ անկյուններ պահանջող հատկանիշները ցույց տվեցին ճշգրտության ամենադրական աճը:
*Նկար 1. Համեմատական կատարողականի չափանիշներ (5-առանցք vs. 3-առանցք)*
4. Քննարկում
Արդյունքները հստակորեն հաստատում են բարդ մետաղական մասերի համար 5-առանցքային մեքենայացման տեխնիկական առավելությունները: Ցիկլի ժամանակի զգալի կրճատումը ուղղակիորեն արտացոլվում է մեկ մասի համար ծախսերի իջեցման և արտադրական հզորությունների աճի մեջ: Բարելավված մակերեսային մշակումը նվազեցնում կամ վերացնում է երկրորդային մշակման գործողությունները, ինչպիսին է ձեռքով հղկումը, ի վերջո կրճատելով ծախսերը և արտադրության ժամկետները՝ միաժամանակ բարելավելով մասի համապատասխանությունը: Երկրաչափական ճշգրտության թռիչքը կարևոր է բարձր արդյունավետությամբ կիրառությունների համար, ինչպիսիք են ավիատիեզերական շարժիչները կամ բժշկական իմպլանտները, որտեղ մասի գործառույթը և անվտանգությունը գերակա են:
Այս առավելությունները հիմնականում բխում են 5-առանցքային մեքենամշակման հիմնական հնարավորություններից. միաժամանակյա բազմաառանցքային շարժումը հնարավորություն է տալիս մեկ կարգավորման մշակում: Սա վերացնում է կարգավորման հետևանքով առաջացած սխալները և մշակման ժամանակը: Ավելին, գործիքի շարունակական օպտիմալ կողմնորոշումը (պահպանելով չիպի իդեալական բեռը և կտրող ուժերը) բարելավում է մակերեսի մշակումը և թույլ է տալիս ավելի ագրեսիվ մեքենամշակման ռազմավարություններ, որտեղ գործիքի կոշտությունը թույլ է տալիս, նպաստելով արագության աճին:
Այնուամենայնիվ, գործնականում կիրառումը պահանջում է սահմանափակումների ընդունում: Հզոր 5-առանցքային մեքենայի և համապատասխան գործիքակազմի համար կապիտալ ներդրումները զգալիորեն ավելի բարձր են, քան 3-առանցքային սարքավորումների համար: Ծրագրավորման բարդությունը էքսպոնենցիալ կերպով աճում է. արդյունավետ, բախումներից զերծ 5-առանցքային գործիքային ուղիների ստեղծումը պահանջում է բարձր որակավորում ունեցող CAM ծրագրավորողներ և բարդ ծրագրային ապահովում: Մոդելավորումն ու ստուգումը դառնում են պարտադիր քայլեր մեքենայացումից առաջ: Ամրացումը պետք է ապահովի ինչպես կոշտություն, այնպես էլ բավարար բացվածք լիարժեք պտտման շարժման համար: Այս գործոնները բարձրացնում են օպերատորների և ծրագրավորողների համար անհրաժեշտ հմտությունների մակարդակը:
Գործնական նշանակությունը պարզ է. 5-առանցքային մեքենայացումը գերազանց է բարձր արժեք ունեցող, բարդ բաղադրիչների համար, որտեղ դրա արագության, որակի և հնարավորությունների առավելությունները արդարացնում են ավելի բարձր գործառնական ծախսերը և ներդրումները: Ավելի պարզ մասերի համար 3-առանցքային մեքենայացումը մնում է ավելի տնտեսող: Հաջողությունը կախված է ինչպես տեխնոլոգիայի, այնպես էլ որակավորված անձնակազմի, ինչպես նաև հզոր CAM և սիմուլյացիոն գործիքների մեջ ներդրումներից: Դիզայնի, արտադրական ճարտարագիտության և մեքենայական արտադրամասի միջև վաղ համագործակցությունը կարևոր է արտադրելիության համար նախատեսված մասերի նախագծման ժամանակ 5-առանցքային հնարավորությունները լիարժեք օգտագործելու համար:
5. Եզրակացություն
Ժամանակակից 5-առանցքային CNC մեքենայացումը ապահովում է ակնհայտորեն գերազանց լուծում բարդ, բարձր ճշգրտությամբ պատվերով պատրաստված մետաղական մասերի արտադրության համար՝ համեմատած ավանդական 3-առանցքային մեթոդների հետ։ Հիմնական արդյունքները հաստատում են.
Նշանակալի արդյունավետություն.Ցիկլի ժամանակի 40-60%-ով կրճատում՝ մեկ տեղադրման մեքենայացման և գործիքային ուղիների օպտիմալացման շնորհիվ։
Բարելավված որակ՝Մակերեսի կոպտության (Ra) մինչև 35% բարելավում՝ գործիքի օպտիմալ կողմնորոշման և շփման շնորհիվ։
Գերազանց ճշգրտություն.Կրիտիկական երկրաչափական շեղումների պահպանման միջին 28% աճ ±0.025 մմ սահմաններում, վերացնելով բազմաթիվ կարգավորումներից առաջացած սխալները։
Տեխնոլոգիան հնարավորություն է տալիս ստանալ բարդ երկրաչափություններ (խորը խոռոչներ, կտրվածքներ, բարդ կորեր), որոնք անիրագործելի են կամ անհնար են եռառանցք մեքենայացման դեպքում՝ անմիջականորեն բավարարելով ավիատիեզերական, բժշկական և էներգետիկ ոլորտների զարգացող պահանջները։
5-առանցքային հնարավորությունների ներդրումների եկամտաբերությունը մեծացնելու համար արտադրողները պետք է կենտրոնանան բարձր բարդության, բարձր արժեք ունեցող մասերի վրա, որտեղ ճշգրտությունը և արտադրության ժամկետը մրցակցային կարևոր գործոններ են: Ապագա աշխատանքները պետք է ուսումնասիրեն 5-առանցքային մեքենայացման ինտեգրումը գործընթացային չափագիտության հետ՝ իրական ժամանակի որակի վերահսկողության և փակ ցիկլով մեքենայացման համար, ինչը հետագայում կբարձրացնի ճշգրտությունը և կնվազեցնի թափոնները: Արժեքավոր ուղղություն է ներկայացնում նաև ադապտիվ մեքենայացման ռազմավարությունների շարունակական հետազոտությունները, որոնք օգտագործում են 5-առանցքային ճկունությունը դժվարամատչելի նյութերի, ինչպիսիք են Inconel-ը կամ կարծրացված պողպատները, համար:
