Виготовлення металевих деталей на замовлення за допомогою 5-осьової обробки

Виготовлення металевих деталей на замовлення за допомогою 5-осьової обробки

Автор:ПФТ, Шеньчжень

Анотація:Передове виробництво вимагає дедалі складніших, високоточних металевих компонентів в аерокосмічному, медичному та енергетичному секторах. Цей аналіз оцінює можливості сучасної 5-осьової обробки на верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК) у виконанні цих вимог. Використовуючи еталонні геометрії, що представляють складні робочі колеса та лопатки турбін, були проведені випробування обробки, що порівнюють 5-осьові та традиційні 3-осьові методи на титані аерокосмічного класу (Ti-6Al-4V) та нержавіючій сталі (316L). Результати демонструють скорочення часу обробки на 40-60% та покращення шорсткості поверхні (Ra) до 35% при 5-осьовій обробці, що пояснюється зменшенням кількості налаштувань та оптимізованою орієнтацією інструменту. Геометрична точність для елементів у межах допуску ±0,025 мм збільшилася в середньому на 28%. Хоча 5-осьова обробка вимагає значних початкових знань та інвестицій у програмування, вона дозволяє надійно виготовляти раніше нездійсненні геометрії з високою ефективністю та чистотою обробки. Ці можливості позиціонують 5-осьову технологію як необхідну для виготовлення високоцінних, складних металевих деталей на замовлення.

1. Вступ
Невпинне прагнення до оптимізації продуктивності в таких галузях, як аерокосмічна (вимагає легших і міцніших деталей), медицина (вимагає біосумісних, індивідуальних імплантатів для пацієнта) та енергетика (вимагає складних компонентів для роботи з рідинами), розширило межі складності металевих деталей. Традиційна 3-осьова обробка на верстатах з ЧПК, обмежена обмеженим доступом до інструментів і численними необхідними налаштуваннями, бореться зі складними контурами, глибокими порожнинами та елементами, що вимагають складних кутів. Ці обмеження призводять до зниження точності, збільшення часу виробництва, підвищення витрат та конструктивних обмежень. До 2025 року можливість ефективно виготовляти високоскладні, прецизійні металеві деталі вже не буде розкішшю, а конкурентною необхідністю. Сучасна 5-осьова обробка на верстатах з ЧПК, що пропонує одночасне керування трьома лінійними осями (X, Y, Z) і двома осями обертання (A, B або C), пропонує трансформаційне рішення. Ця технологія дозволяє ріжучому інструменту підходити до заготовки практично з будь-якого напрямку за одне налаштування, принципово долаючи обмеження доступу, властиві 3-осьовій обробці. У цій статті розглядаються конкретні можливості, кількісні переваги та практичні міркування щодо впровадження 5-осьової обробки для виробництва металевих деталей на замовлення.

2. Методи
2.1 Дизайн та бенчмаркінг
Дві еталонні деталі були розроблені за допомогою програмного забезпечення Siemens NX CAD, що втілює типові проблеми у виробництві на замовлення:

Робоче колесо:Має складні, кручені лопаті з високим співвідношенням сторін та вузькими зазорами.

Лопатка турбіни:Включаючи складні кривизни, тонкі стінки та прецизійні монтажні поверхні.
Ці конструкції навмисно включали піднутрення, глибокі кишені та елементи, що вимагають неортогонального доступу до інструменту, спеціально спрямовані на обмеження 3-осьової обробки.

2.2 Матеріали та обладнання

Матеріали:Титан аерокосмічного класу (Ti-6Al-4V, відпалений стан) та нержавіюча сталь 316L були обрані через їхню відповідність вимогливим застосуванням та відмінні характеристики обробки.

Машини:

5-осьовий:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (система керування Heidenhain TNC 640).

3-осьовий:HAAS VF-4SS (система управління HAAS NGC).

Інструменти:Для чорнової та чистової обробки використовувалися покриті твердосплавні кінцеві фрези (різних діаметрів, сферичні та з плоским кінцем) від Kennametal та Sandvik Coromant. Параметри різання (швидкість, подача, глибина різання) були оптимізовані відповідно до матеріалу та можливостей верстата з використанням рекомендацій виробника інструменту та контрольованих пробних різів.

Кріплення:Спеціально виготовлені, точно оброблені модульні кріплення забезпечили жорстке затискання та повторюване розташування для обох типів верстатів. Для 3-осьових випробувань деталі, що потребували обертання, переміщувалися вручну за допомогою прецизійних штифтів, імітуючи типову практику цеху. У 5-осьових випробуваннях використовувалася повна обертальна здатність верстата в межах одного налаштування кріплення.

2.3 Збір та аналіз даних

Час циклу:Вимірюється безпосередньо з таймерів машини.

Шорсткість поверхні (Ra):Вимірювання проводилися за допомогою профілометра Mitutoyo Surftest SJ-410 у п'яти критичних місцях на деталь. Для кожної комбінації матеріалу/верстата було оброблено три деталі.

Геометрична точність:Скановано за допомогою координатно-вимірювальної машини (КВМ) Zeiss CONTURA G2. Критичні розміри та геометричні допуски (площинність, перпендикулярність, профіль) порівнювалися з моделями CAD.

Статистичний аналіз:Для часу циклу та вимірювань Ra було розраховано середні значення та стандартні відхилення. Дані CMM було проаналізовано на відхилення від номінальних розмірів та коефіцієнти дотримання допусків.

Таблиця 1: Зведення експериментальної установки

3. Результати та аналіз
3.1 Підвищення ефективності
5-осьова обробка продемонструвала значну економію часу. Для титанового робочого колеса 5-осьова обробка скоротила час циклу на 58% порівняно з 3-осьовою обробкою (2,1 години проти 5,0 годин). Лопатка турбіни з нержавіючої сталі продемонструвала скорочення на 42% (1,8 години проти 3,1 години). Ці переваги були зумовлені, головним чином, усуненням багаторазового налаштування та пов'язаного з цим часу ручного переміщення/перезакріплення, а також забезпеченням ефективніших траєкторій інструменту з довшими, безперервними різаннями завдяки оптимізованій орієнтації інструменту.

3.2 Покращення якості поверхні
Шорсткість поверхні (Ra) постійно покращувалася при 5-осьовій обробці. На складних поверхнях лопатей титанового робочого колеса середні значення Ra зменшилися на 32% (0,8 мкм проти 1,18 мкм). Подібні покращення спостерігалися на лопатці турбіни з нержавіючої сталі (Ra зменшилося на 35%, в середньому 0,65 мкм проти 1,0 мкм). Це покращення пояснюється здатністю підтримувати постійний, оптимальний кут контакту різання та зменшенням вібрації інструменту завдяки кращій жорсткості інструменту в коротших подовжувачах інструменту.

3.3 Підвищення геометричної точності
Аналіз за допомогою КММ підтвердив чудову геометричну точність при 5-осьовій обробці. Відсоток критичних елементів, що утримуються в межах суворого допуску ±0,025 мм, значно збільшився: на 30% для титанового крильчатки (досягнення відповідності 92% проти 62%) та на 26% для лопаті з нержавіючої сталі (досягнення відповідності 89% проти 63%). Це покращення безпосередньо пов'язане з усуненням кумулятивних помилок, що виникають через багаторазове налаштування та ручне перепозиціонування, необхідне в 3-осьовому процесі. Елементи, що вимагають складних кутів, показали найбільше підвищення точності.

*Рисунок 1: Порівняльні показники продуктивності (5-осьовий та 3-осьовий)*

4. Обговорення
Результати чітко підтверджують технічні переваги 5-осьової обробки складних металевих деталей на замовлення. Значне скорочення часу циклу безпосередньо призводить до зниження витрат на деталь та збільшення виробничої потужності. Покращена обробка поверхні зменшує або усуває вторинні операції обробки, такі як ручне полірування, що ще більше знижує витрати та терміни виконання, одночасно підвищуючи стабільність деталей. Збільшення геометричної точності має вирішальне значення для високопродуктивних застосувань, таких як аерокосмічні двигуни або медичні імплантати, де функціональність та безпека деталі є першочерговими.

Ці переваги, головним чином, випливають з основної можливості 5-осьової обробки: одночасний багатоосьовий рух, що дозволяє обробку за один набір. Це усуває помилки, спричинені налаштуванням, та час обробки. Крім того, постійна оптимальна орієнтація інструменту (підтримка ідеального навантаження на стружку та сил різання) покращує якість поверхні та дозволяє використовувати більш агресивні стратегії обробки там, де це дозволяє жорсткість інструменту, що сприяє збільшенню швидкості.

Однак, практичне впровадження вимагає визнання обмежень. Капітальні інвестиції у потужний 5-осьовий верстат та відповідне оснащення значно вищі, ніж у 3-осьове обладнання. Складність програмування зростає експоненціально; створення ефективних, безколізійних 5-осьових траєкторій інструменту вимагає висококваліфікованих CAM-програмістів та складного програмного забезпечення. Моделювання та верифікація стають обов'язковими кроками перед обробкою. Кріплення повинно забезпечувати як жорсткість, так і достатній зазор для повного обертального ходу. Ці фактори підвищують рівень кваліфікації, необхідний для операторів та програмістів.

Практичний висновок очевидний: 5-осьова обробка чудово підходить для високоцінних, складних компонентів, де її переваги в швидкості, якості та можливостях виправдовують вищі операційні витрати та інвестиції. Для простіших деталей 3-осьова обробка залишається більш економічною. Успіх залежить від інвестування як у технології, так і в кваліфікований персонал, а також від надійних інструментів CAM та моделювання. Рання співпраця між конструкторською, виробничою інженерією та механічним цехом має вирішальне значення для повного використання можливостей 5-осьової обробки під час проектування деталей для технологічності (DFM).

5. Висновок
Сучасна 5-осьова обробка на верстатах з ЧПК забезпечує значно кращі рішення для виготовлення складних, високоточних металевих деталей на замовлення порівняно з традиційними 3-осьовими методами. Ключові результати підтверджують:

Значна ефективність:Скорочення часу циклу на 40-60% завдяки обробці за один раз та оптимізованим траєкторіям інструменту.

Підвищена якість:Покращення шорсткості поверхні (Ra) до 35% завдяки оптимальній орієнтації та контакту інструменту.

Вища точність:Середнє збільшення на 28% утримання критичних геометричних допусків у межах ±0,025 мм, що усуває помилки, пов'язані з багаторазовим налаштуванням.
Ця технологія дозволяє створювати складні геометрії (глибокі порожнини, піднутрення, складні криві), які непрактичні або неможливі за допомогою 3-осьової обробки, безпосередньо реагуючи на зростаючі потреби аерокосмічної, медичної та енергетичної галузей.

Щоб максимізувати рентабельність інвестицій у 5-осьову обробку, виробникам слід зосередитися на високоскладних, високоцінних деталях, де точність та час виконання є критичними конкурентними факторами. Подальші дослідження повинні дослідити інтеграцію 5-осьової обробки з метрологією в процесі виробництва для контролю якості в режимі реального часу та обробки в замкнутому циклі, що ще більше підвищить точність та зменшить брак. Подальші дослідження адаптивних стратегій обробки, що використовують гнучкість 5-осьової обробки для важкооброблюваних матеріалів, таких як інконель або загартовані сталі, також є цінним напрямком.