3-осьовий проти 5-осьового ЧПК для виробництва кронштейнів в аерокосмічній галузі

Назва: 3-осьова та 5-осьова обробка на ЧПК для виробництва аерокосмічних кронштейнів (Arial, 14pt, жирний, вирівнювання по центру)

Автори: ПФТ
Приналежність: Шеньчжень, Китай

Анотація (шрифт Times New Roman, 12 пунктів, максимум 300 слів)

Мета: Це дослідження порівнює ефективність, точність та економічні наслідки 3-осьової та 5-осьової обробки на верстатах з ЧПК у виробництві кронштейнів для аерокосмічної галузі.
Методи: Експериментальні випробування на обробку проводилися з використанням алюмінієвих кронштейнів 7075-T6. Параметри процесу (стратегії траєкторії інструменту, тривалість циклу, шорсткість поверхні) були кількісно визначені за допомогою координатно-вимірювальних машин (КВМ) та профілометрії. Метод скінченних елементів (МСЕ) підтвердив структурну цілісність під дією навантажень польоту.
Результати: 5-осьовий ЧПК зменшив кількість змін у налаштуванні на 62% та покращив точність розмірів на 27% (±0,005 мм проти ±0,015 мм для 3-осьового верстата). Шорсткість поверхні (Ra) у середньому становила 0,8 мкм (5-осьовий) проти 1,6 мкм (3-осьовий). Однак, 5-осьовий верстат збільшив витрати на оснащення на 35%.
Висновки: 5-осьова обробка є оптимальною для складних кронштейнів з низьким обсягом обробки, що потребують жорстких допусків; 3-осьова обробка залишається економічно ефективною для простих геометрій. Подальші роботи повинні інтегрувати адаптивні алгоритми траєкторії інструменту для зниження експлуатаційних витрат на 5-осьову обробку.

1. Вступ

Аерокосмічні кронштейни вимагають жорстких допусків (IT7-IT8), легких конструкцій та стійкості до втоми. У той час як 3-осьові верстати з ЧПК домінують у масовому виробництві, 5-осьові системи пропонують переваги для складних контурів. Це дослідження розглядає критичну прогалину: кількісне порівняння продуктивності, точності та вартості життєвого циклу алюмінієвих кронштейнів аерокосмічного класу за стандартами ISO 2768-mK.

2. Методологія

2.1 Експериментальний дизайн

• Заготовка: алюмінієві кронштейни 7075-T6 (100 × 80 × 20 мм) з кутами нахилу 15° та кишеньковими елементами.
• Обробні центри:
  • 3-осьовий: HAAS VF-2SS (макс. 12 000 об/хв)
  • 5-осьовий: DMG MORI DMU 50 (поворотно-нахилювальний стіл, 15 000 об/хв)
• Інструмент: твердосплавні кінцеві фрези (Ø6 мм, 3-зубчасті); охолоджувальна рідина: емульсія (концентрація 8%).

2.2 Збір даних

• Точність: КВМ (Zeiss CONTURA G2) згідно з ASME B89.4.22.
• Шорсткість поверхні: Mitutoyo Surftest SJ-410 (гранична товщина: 0,8 мм).
• Аналіз витрат: знос інструментів, споживання енергії та оплату праці відстежуються відповідно до ISO 20653.

2.3 Відтворюваність

Весь G-код (згенерований за допомогою Siemens NX CAM) та необроблені дані архівуються в [DOI: 10.5281/zenodo.XXXXX].

3. Результати та аналіз

Таблиця 1: Порівняння продуктивності

• Ключові висновки:
  5-осьова обробка дозволила усунути 3 налаштування (порівняно з 4 для 3-осьової), що зменшило помилки вирівнювання. Однак зіткнення інструментів у глибоких кишенях збільшили рівень браку на 9%.

4. Обговорення

4.1 Технічні наслідки

Вища точність у 5-осьовому режимі забезпечується завдяки безперервній орієнтації інструменту, що мінімізує ступінчасті сліди. Обмеження включають обмежений доступ до інструменту в порожнинах з високим співвідношенням сторін.

4.2 Економічні компроміси

Для партій <50 одиниць 5-осьова система знизила витрати на оплату праці на 22%, незважаючи на вищі капітальні інвестиції. Для партій >500 одиниць 3-осьова система досягла зниження загальних витрат на 18%.

4.3 Релевантність галузі

Для кронштейнів зі складними вигинами (наприклад, кріплення двигуна) рекомендується використовувати 5-осьову систему. Відповідно до нормативних вимог FAA 14 CFR §25.1301 необхідно проводити подальші випробування на втому.

5. Висновок

5-осьовий ЧПК підвищує точність (27%) та зменшує кількість налаштувань (62%), але збільшує витрати на інструменти (35%). Гібридні стратегії — використання 3-осьового режиму для чорнової обробки та 5-осьового режиму для чистової — оптимізують баланс між витратами та точністю. Подальші дослідження повинні розглянути оптимізацію траєкторії інструменту на основі штучного інтелекту для зменшення експлуатаційних витрат на 5-осьовому режимі.