Як вибрати правильний 5-осьовий обробний центр для аерокосмічних деталей
ПФТ, Шеньчжень
Анотація
Мета: Створити відтворювану систему прийняття рішень для вибору 5-осьових обробних центрів, призначених для обробки високоцінних аерокосмічних компонентів. Метод: Змішаний метод проектування, що об'єднує виробничі журнали за 2020–2024 роки з чотирьох аерокосмічних заводів першого рівня (n = 2 847 000 годин обробки), фізичні випробування різання на зразках Ti-6Al-4V та Al-7075, а також багатокритеріальну модель прийняття рішень (MCDM), що поєднує ентропійно-зважений TOPSIS з аналізом чутливості. Результати: Потужність шпинделя ≥ 45 кВт, одночасна точність контурування по 5 осях ≤ ±6 мкм та компенсація об'ємної похибки на основі об'ємної компенсації лазерного трекера (LT-VEC) стали трьома найсильнішими предикторами відповідності деталі (R² = 0,82). Центри з похилими столами вилкового типу зменшили непродуктивний час перепозиціонування на 31% порівняно з конфігураціями з поворотною головкою. Оцінка корисності MCDM ≥ 0,78 корелювала зі зниженням рівня браку на 22%. Висновок: Триетапний протокол відбору — (1) технічний бенчмаркінг, (2) ранжування MCDM, (3) валідація пілотного запуску — забезпечує статистично значуще зниження вартості неякісних робіт, зберігаючи при цьому відповідність AS9100 Rev D.
Мета: Створити відтворювану систему прийняття рішень для вибору 5-осьових обробних центрів, призначених для обробки високоцінних аерокосмічних компонентів. Метод: Змішаний метод проектування, що об'єднує виробничі журнали за 2020–2024 роки з чотирьох аерокосмічних заводів першого рівня (n = 2 847 000 годин обробки), фізичні випробування різання на зразках Ti-6Al-4V та Al-7075, а також багатокритеріальну модель прийняття рішень (MCDM), що поєднує ентропійно-зважений TOPSIS з аналізом чутливості. Результати: Потужність шпинделя ≥ 45 кВт, одночасна точність контурування по 5 осях ≤ ±6 мкм та компенсація об'ємної похибки на основі об'ємної компенсації лазерного трекера (LT-VEC) стали трьома найсильнішими предикторами відповідності деталі (R² = 0,82). Центри з похилими столами вилкового типу зменшили непродуктивний час перепозиціонування на 31% порівняно з конфігураціями з поворотною головкою. Оцінка корисності MCDM ≥ 0,78 корелювала зі зниженням рівня браку на 22%. Висновок: Триетапний протокол відбору — (1) технічний бенчмаркінг, (2) ранжування MCDM, (3) валідація пілотного запуску — забезпечує статистично значуще зниження вартості неякісних робіт, зберігаючи при цьому відповідність AS9100 Rev D.
1 Вступ
Глобальний аерокосмічний сектор прогнозує сукупний річний темп зростання виробництва планерів на рівні 3,4% до 2030 року, що посилить попит на титанові та алюмінієві конструкційні компоненти чистої форми з геометричними допусками менше 10 мкм. П'ятиосьові обробні центри стали домінуючою технологією, проте відсутність стандартизованого протоколу вибору призводить до недовикористання на 18–34% та середнього рівня браку 9% на обстежених підприємствах. Це дослідження усуває прогалину в знаннях шляхом формалізації об'єктивних, заснованих на даних критеріїв для рішень щодо закупівлі верстатів.
Глобальний аерокосмічний сектор прогнозує сукупний річний темп зростання виробництва планерів на рівні 3,4% до 2030 року, що посилить попит на титанові та алюмінієві конструкційні компоненти чистої форми з геометричними допусками менше 10 мкм. П'ятиосьові обробні центри стали домінуючою технологією, проте відсутність стандартизованого протоколу вибору призводить до недовикористання на 18–34% та середнього рівня браку 9% на обстежених підприємствах. Це дослідження усуває прогалину в знаннях шляхом формалізації об'єктивних, заснованих на даних критеріїв для рішень щодо закупівлі верстатів.
2 Методологія
2.1 Огляд дизайну
Було прийнято трифазний послідовний пояснювальний дизайн: (1) ретроспективний аналіз даних, (2) експерименти з контрольованою обробкою, (3) побудова та валідація MCDM.
Було прийнято трифазний послідовний пояснювальний дизайн: (1) ретроспективний аналіз даних, (2) експерименти з контрольованою обробкою, (3) побудова та валідація MCDM.
2.2 Джерела даних
- Виробничі журнали: дані MES з чотирьох заводів, анонімізовані згідно з протоколами ISO/IEC 27001.
- Випробування різанням: 120 призматичних заготовок Ti-6Al-4V та 120 Al-7075 розміром 100 мм × 100 мм × 25 мм, отриманих з однієї партії розплаву для мінімізації варіацій матеріалу.
- Інвентар верстатів: 18 комерційно доступних 5-осьових центрів (вилкового типу, з поворотною головкою та гібридної кінематики) з роками випуску 2018–2023.
2.3 Експериментальна установка
У всіх випробуваннях використовувалися ідентичні інструменти Sandvik Coromant (трохоїдальна кінцева фреза Ø20 мм, марка GC1740) та 7% емульсійна охолоджувальна рідина. Параметри процесу: vc = 90 м хв⁻¹ (Ti), 350 м хв⁻¹ (Al); fz = 0,15 мм зуб⁻¹; ae = 0,2D. Цілісність поверхні кількісно визначалася за допомогою інтерферометрії білого світла (Taylor Hobson CCI MP-HS).
У всіх випробуваннях використовувалися ідентичні інструменти Sandvik Coromant (трохоїдальна кінцева фреза Ø20 мм, марка GC1740) та 7% емульсійна охолоджувальна рідина. Параметри процесу: vc = 90 м хв⁻¹ (Ti), 350 м хв⁻¹ (Al); fz = 0,15 мм зуб⁻¹; ae = 0,2D. Цілісність поверхні кількісно визначалася за допомогою інтерферометрії білого світла (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 Модель MCDM
Вагові коефіцієнти критеріїв були отримані з ентропії Шеннона, застосованої до виробничих каротажних діаграм (Таблиця 1). Альтернативи були ранжовані за допомогою TOPSIS, перевірені за допомогою методу збурень Монте-Карло (10 000 ітерацій) для перевірки чутливості ваг.
Вагові коефіцієнти критеріїв були отримані з ентропії Шеннона, застосованої до виробничих каротажних діаграм (Таблиця 1). Альтернативи були ранжовані за допомогою TOPSIS, перевірені за допомогою методу збурень Монте-Карло (10 000 ітерацій) для перевірки чутливості ваг.
3 Результати та аналіз
3.1 Ключові показники ефективності (KPI)
На рисунку 1 ілюструється межа Парето залежності потужності шпинделя від точності контурування; верстати у верхньому лівому квадранті досягли ≥ 98% відповідності деталі. У таблиці 2 наведено коефіцієнти регресії: потужність шпинделя (β = 0,41, p < 0,01), точність контурування (β = –0,37, p < 0,01) та доступність LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
На рисунку 1 ілюструється межа Парето залежності потужності шпинделя від точності контурування; верстати у верхньому лівому квадранті досягли ≥ 98% відповідності деталі. У таблиці 2 наведено коефіцієнти регресії: потужність шпинделя (β = 0,41, p < 0,01), точність контурування (β = –0,37, p < 0,01) та доступність LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 Порівняння конфігурацій
Вилкоподібні поворотні столи скоротили середній час обробки на один елемент з 3,2 хв до 2,2 хв (95% ДІ: 0,8–1,2 хв), зберігаючи при цьому похибку форми < 8 мкм (Рисунок 2). Верстати з поворотною головкою демонстрували тепловий дрейф 11 мкм протягом 4 годин безперервної роботи, якщо вони не були оснащені активною тепловою компенсацією.
Вилкоподібні поворотні столи скоротили середній час обробки на один елемент з 3,2 хв до 2,2 хв (95% ДІ: 0,8–1,2 хв), зберігаючи при цьому похибку форми < 8 мкм (Рисунок 2). Верстати з поворотною головкою демонстрували тепловий дрейф 11 мкм протягом 4 годин безперервної роботи, якщо вони не були оснащені активною тепловою компенсацією.
3.3 Результати MCDM
Центри, які отримали бал ≥ 0,78 за складеним індексом корисності, продемонстрували зменшення браку на 22% (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). Аналіз чутливості виявив зміну рейтингу ваги потужності шпинделя на ±5% лише для 11% альтернатив, що підтверджує надійність моделі.
Центри, які отримали бал ≥ 0,78 за складеним індексом корисності, продемонстрували зменшення браку на 22% (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). Аналіз чутливості виявив зміну рейтингу ваги потужності шпинделя на ±5% лише для 11% альтернатив, що підтверджує надійність моделі.
4 Обговорення
Домінування потужності шпинделя узгоджується з чорновою обробкою титанових сплавів з високим крутним моментом, що підтверджує енергетичне моделювання Езугву (2022, с. 45). Додана цінність LT-VEC відображає зсув аерокосмічної галузі до виробництва «правильно з першого разу» згідно зі стандартом AS9100 Rev D. Обмеження включають зосередження дослідження на призматичних деталях; тонкостінні геометрії лопаток турбін можуть посилити проблеми динамічної відповідності, які не враховані тут. Практично, команди закупівель повинні пріоритезувати триетапний протокол: (1) фільтрувати кандидатів за пороговими значеннями KPI, (2) застосовувати MCDM, (3) перевіряти за допомогою пілотного запуску з 50 деталей.
5 Висновок
Статистично валідований протокол, що інтегрує бенчмаркінг KPI, ентропійно-зважений MCDM та валідацію пілотного запуску, дозволяє виробникам аерокосмічної промисловості вибирати 5-осьові обробні центри, які зменшують брак на ≥ 20%, одночасно дотримуючись вимог AS9100 Rev D. Подальша робота має розширити набір даних, включивши компоненти з вуглецевого волокна та Inconel 718, а також моделі витрат на життєвий цикл.
Статистично валідований протокол, що інтегрує бенчмаркінг KPI, ентропійно-зважений MCDM та валідацію пілотного запуску, дозволяє виробникам аерокосмічної промисловості вибирати 5-осьові обробні центри, які зменшують брак на ≥ 20%, одночасно дотримуючись вимог AS9100 Rev D. Подальша робота має розширити набір даних, включивши компоненти з вуглецевого волокна та Inconel 718, а також моделі витрат на життєвий цикл.
Час публікації: 19 липня 2025 р.
