Produkcja niestandardowych części metalowych z wykorzystaniem obróbki 5-osiowej
Produkcja niestandardowych części metalowych z wykorzystaniem obróbki 5-osiowej
Autor:PFT, Shenzhen
Abstrakcyjny:Zaawansowana produkcja wymaga coraz bardziej złożonych, precyzyjnych komponentów metalowych w sektorach lotniczym, medycznym i energetycznym. Niniejsza analiza ocenia możliwości nowoczesnej 5-osiowej obróbki numerycznej (CNC) w zakresie spełniania tych wymagań. Wykorzystując wzorcowe geometrie reprezentatywne dla złożonych wirników i łopatek turbin, przeprowadzono próby obróbki, porównując metody 5-osiowe z tradycyjnymi metodami 3-osiowymi, na tytanie lotniczym (Ti-6Al-4V) i stali nierdzewnej (316L). Wyniki wskazują na skrócenie czasu obróbki o 40-60% i poprawę chropowatości powierzchni (Ra) nawet o 35% dzięki obróbce 5-osiowej, co wynika z mniejszej liczby ustawień i zoptymalizowanej orientacji narzędzia. Dokładność geometryczna elementów w zakresie tolerancji ±0,025 mm wzrosła średnio o 28%. Obróbka 5-osiowa, wymagająca znacznej wiedzy i inwestycji w programowanie, umożliwia niezawodną produkcję wcześniej niewykonalnych geometrii z doskonałą wydajnością i jakością wykończenia. Możliwości te pozycjonują technologię 5-osiową jako niezbędną do produkcji skomplikowanych, niestandardowych części metalowych o dużej wartości.
1. Wprowadzenie
Nieustanne dążenie do optymalizacji wydajności w branżach takich jak lotnictwo i kosmonautyka (wymagające lżejszych i mocniejszych części), medycyna (wymagające biokompatybilnych implantów dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta) oraz energetyka (wymagające złożonych komponentów do transportu płynów) przesunęło granice złożoności części metalowych. Tradycyjna 3-osiowa obróbka CNC, ograniczona ograniczonym dostępem do narzędzi i wieloma wymaganymi ustawieniami, zmaga się ze skomplikowanymi konturami, głębokimi wnękami i elementami wymagającymi kątów złożonych. Ograniczenia te skutkują pogorszeniem dokładności, wydłużeniem czasu produkcji, wyższymi kosztami i ograniczeniami projektowymi. Do 2025 roku możliwość wydajnej produkcji wysoce złożonych, precyzyjnych części metalowych nie będzie już luksusem, lecz konkurencyjną koniecznością. Nowoczesna 5-osiowa obróbka CNC, oferująca jednoczesne sterowanie trzema osiami liniowymi (X, Y, Z) i dwiema osiami obrotowymi (A, B lub C), stanowi przełomowe rozwiązanie. Technologia ta pozwala narzędziu skrawającemu na dotarcie do przedmiotu obrabianego z praktycznie dowolnego kierunku w ramach jednego ustawienia, zasadniczo eliminując ograniczenia dostępu nieodłącznie związane z obróbką 3-osiową. W tym artykule omówiono konkretne możliwości, wymierne korzyści i praktyczne aspekty wdrażania obróbki 5-osiowej w produkcji niestandardowych części metalowych.
2. Metody
2.1 Projekt i benchmarking
Przy użyciu oprogramowania Siemens NX CAD zaprojektowano dwa wzorcowe elementy, uwzględniające powszechne wyzwania w zakresie produkcji niestandardowej:
Wirnik:Charakteryzuje się skomplikowanymi, skręconymi ostrzami o dużym wydłużeniu i ciasnych prześwitach.
Łopatka turbiny:Łącząc złożone krzywizny, cienkie ścianki i precyzyjne powierzchnie montażowe.
W projektach tych celowo zastosowano podcięcia, głębokie kieszenie i elementy wymagające nieortogonalnego dostępu narzędzi, mając na celu w szczególności uwzględnienie ograniczeń obróbki 3-osiowej.
2.2 Materiały i sprzęt
Przybory:Wybrano tytan klasy lotniczej (Ti-6Al-4V, stan wyżarzany) i stal nierdzewną 316L ze względu na ich przydatność w wymagających zastosowaniach i wyjątkowe właściwości obróbki.
Maszyny:
5-osiowy:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (sterowanie Heidenhain TNC 640).
3-osie:HAAS VF-4SS (sterowanie HAAS NGC).
Obróbka:Do obróbki zgrubnej i wykańczającej użyto powlekanych frezów trzpieniowych z węglika spiekanego (o różnych średnicach, z czopem kulistym i płaskim) firm Kennametal i Sandvik Coromant. Parametry skrawania (prędkość, posuw, głębokość skrawania) zoptymalizowano pod kątem materiału i możliwości obrabiarki, korzystając z zaleceń producenta narzędzi i kontrolowanych cięć testowych.
Uchwyt roboczy:Specjalnie, precyzyjnie obrobione modułowe uchwyty zapewniły sztywne mocowanie i powtarzalną lokalizację dla obu typów maszyn. W testach 3-osiowych, części wymagające obrotu były ręcznie przestawiane za pomocą precyzyjnych kołków, symulując typowe praktyki stosowane na hali produkcyjnej. W testach 5-osiowych wykorzystano pełną rotację maszyny w ramach jednego uchwytu.
2.3 Gromadzenie i analiza danych
Czas cyklu:Pomiary wykonywane bezpośrednio z timerów maszynowych.
Chropowatość powierzchni (Ra):Pomiar wykonano za pomocą profilometru Mitutoyo Surftest SJ-410 w pięciu krytycznych punktach na część. Obrobiono trzy części dla każdej kombinacji materiał/maszyna.
Dokładność geometryczna:Skanowanie wykonano za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM) Zeiss CONTURA G2. Wymiary krytyczne i tolerancje geometryczne (płaskość, prostopadłość, profil) porównano z modelami CAD.
Analiza statystyczna:Obliczono wartości średnie i odchylenia standardowe dla czasu cyklu i pomiarów Ra. Dane z CMM przeanalizowano pod kątem odchyleń od wymiarów nominalnych i wskaźników zgodności tolerancji.
Tabela 1: Podsumowanie konfiguracji eksperymentalnej
| Element | Konfiguracja 5-osiowa | Konfiguracja 3-osiowa |
|---|---|---|
| Maszyna | DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5-osiowy) | HAAS VF-4SS (3-osiowy) |
| Osprzęt | Pojedynczy niestandardowy element wyposażenia | Pojedynczy niestandardowy element mocujący + ręczne obroty |
| Liczba konfiguracji | 1 | 3 (wirnik), 4 (łopatka turbiny) |
| Oprogramowanie CAM | Siemens NX CAM (ścieżki narzędzi wieloosiowych) | Siemens NX CAM (ścieżki narzędzi 3-osiowe) |
| Pomiar | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Wyniki i analiza
3.1 Zyski wydajności
Obróbka 5-osiowa przyniosła znaczną oszczędność czasu. W przypadku wirnika tytanowego obróbka 5-osiowa skróciła czas cyklu o 58% w porównaniu z obróbką 3-osiową (2,1 godziny w porównaniu z 5,0 godzinami). W przypadku łopatki turbiny ze stali nierdzewnej uzyskano redukcję o 42% (1,8 godziny w porównaniu z 3,1 godziny). Korzyści te wynikały głównie z wyeliminowania konieczności wielokrotnego ustawiania i związanego z tym ręcznego czasu obsługi/ponownego mocowania oraz umożliwienia bardziej wydajnych ścieżek narzędziowych z dłuższymi, ciągłymi cięciami dzięki zoptymalizowanej orientacji narzędzia.
3.2 Poprawa jakości powierzchni
Chropowatość powierzchni (Ra) konsekwentnie poprawiała się dzięki obróbce 5-osiowej. Na złożonych powierzchniach łopatek wirnika tytanowego średnie wartości Ra spadły o 32% (0,8 µm w porównaniu z 1,18 µm). Podobną poprawę zaobserwowano na łopatce turbiny ze stali nierdzewnej (Ra spadło o 35%, średnio 0,65 µm w porównaniu z 1,0 µm). Poprawę tę przypisuje się możliwości utrzymania stałego, optymalnego kąta styku narzędzia i zmniejszeniu wibracji dzięki lepszej sztywności narzędzia w krótszych wysięgnikach.
3.3 Poprawa dokładności geometrycznej
Analiza CMM potwierdziła wyższą dokładność geometryczną obróbki 5-osiowej. Odsetek krytycznych cech mieszczących się w rygorystycznej tolerancji ±0,025 mm znacząco wzrósł: o 30% w przypadku wirnika tytanowego (osiągając 92% zgodności w porównaniu z 62%) oraz o 26% w przypadku łopatki ze stali nierdzewnej (osiągając 89% zgodności w porównaniu z 63%). Ta poprawa wynika bezpośrednio z wyeliminowania błędów kumulacyjnych spowodowanych wielokrotnymi ustawieniami i ręczną zmianą położenia wymaganą w procesie 3-osiowym. Cechy wymagające obróbki pod kątem złożonym wykazały największy wzrost dokładności.
*Rysunek 1: Porównawcze wskaźniki wydajności (5-osiowe i 3-osiowe)*
4. Dyskusja
Wyniki jednoznacznie potwierdzają techniczne zalety obróbki 5-osiowej w przypadku skomplikowanych, niestandardowych części metalowych. Znaczne skrócenie czasu cyklu przekłada się bezpośrednio na niższe koszty jednostkowe i zwiększoną wydajność produkcji. Lepsze wykończenie powierzchni ogranicza lub eliminuje konieczność wtórnych operacji wykańczających, takich jak polerowanie ręczne, co dodatkowo obniża koszty i skraca czas realizacji, a jednocześnie poprawia spójność części. Ten skok w dokładności geometrycznej ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności, takich jak silniki lotnicze czy implanty medyczne, gdzie funkcjonalność i bezpieczeństwo części mają kluczowe znaczenie.
Zalety te wynikają przede wszystkim z podstawowej funkcjonalności obróbki 5-osiowej: jednoczesnego ruchu wieloosiowego, umożliwiającego obróbkę w jednym ustawieniu. Eliminuje to błędy wynikające z ustawień i czas obsługi. Co więcej, ciągła, optymalna orientacja narzędzia (utrzymująca idealne obciążenie wiórem i siły skrawania) poprawia jakość powierzchni i umożliwia stosowanie bardziej agresywnych strategii obróbki, gdy pozwala na to sztywność narzędzia, przyczyniając się do wzrostu prędkości.
Jednak praktyczne wdrożenie wymaga uwzględnienia ograniczeń. Nakłady inwestycyjne na sprawną maszynę 5-osiową i odpowiednie oprzyrządowanie są znacznie wyższe niż w przypadku maszyn 3-osiowych. Złożoność programowania rośnie wykładniczo; generowanie wydajnych, bezkolizyjnych ścieżek narzędzi w 5 osiach wymaga wysoko wykwalifikowanych programistów CAM i zaawansowanego oprogramowania. Symulacja i weryfikacja stają się obowiązkowymi etapami przed obróbką. Mocowanie musi zapewniać zarówno sztywność, jak i wystarczający prześwit dla pełnego zakresu ruchu obrotowego. Czynniki te podnoszą poziom umiejętności wymagany od operatorów i programistów.
Praktyczne implikacje są oczywiste: obróbka 5-osiowa sprawdza się w przypadku wysokowartościowych, złożonych komponentów, gdzie jej zalety w zakresie szybkości, jakości i możliwości uzasadniają wyższe koszty operacyjne i inwestycje. W przypadku prostszych części obróbka 3-osiowa pozostaje bardziej ekonomiczna. Sukces zależy od inwestycji w technologię i wykwalifikowany personel, a także w solidne narzędzia CAM i symulacyjne. Wczesna współpraca między działem projektowania, inżynierii produkcji i warsztatem maszynowym ma kluczowe znaczenie dla pełnego wykorzystania możliwości obróbki 5-osiowej podczas projektowania części pod kątem możliwości produkcyjnych (DFM).
5. Wnioski
Nowoczesna obróbka CNC w 5 osiach zapewnia wyraźnie lepsze rozwiązanie do produkcji złożonych, precyzyjnych, niestandardowych części metalowych w porównaniu z tradycyjnymi metodami 3-osiowymi. Kluczowe wnioski potwierdzają:
Znaczna wydajność:Skrócenie czasu cyklu o 40-60% dzięki obróbce w jednym ustawieniu i zoptymalizowanym ścieżkom narzędzi.
Wyższa jakość:Poprawa chropowatości powierzchni (Ra) nawet o 35% dzięki optymalnej orientacji i kontaktowi narzędzia.
Wyższa dokładność:Średnio o 28% lepsze utrzymanie krytycznych tolerancji geometrycznych w zakresie ±0,025 mm, co eliminuje błędy wynikające z wielokrotnych ustawień.
Technologia ta umożliwia produkcję skomplikowanych geometrii (głębokie wnęki, podcięcia, krzywe złożone), które są niepraktyczne lub niemożliwe do uzyskania przy zastosowaniu obróbki 3-osiowej, odpowiadając bezpośrednio na zmieniające się potrzeby sektorów lotniczego, medycznego i energetycznego.
Aby zmaksymalizować zwrot z inwestycji w obróbkę 5-osiową, producenci powinni skupić się na elementach o wysokiej złożoności i wartości, gdzie precyzja i czas realizacji zamówienia są kluczowymi czynnikami konkurencyjnymi. Przyszłe prace powinny skupić się na integracji obróbki 5-osiowej z pomiarami w trakcie procesu, co umożliwi kontrolę jakości w czasie rzeczywistym i obróbkę w pętli zamkniętej, co jeszcze bardziej zwiększy precyzję i zmniejszy ilość odpadów. Dalszy rozwój strategii obróbki adaptacyjnej wykorzystujących elastyczność obróbki 5-osiowej w przypadku materiałów trudnoobrabialnych, takich jak Inconel czy stale hartowane, również stanowi cenny kierunek.
