CNC 3-osiowe a 5-osiowe w produkcji wsporników do zastosowań lotniczych

Tytuł: Obróbka CNC 3-osiowa a 5-osiowa w produkcji uchwytów do samolotów (czcionka Arial, 14 punktów, pogrubiona, wyśrodkowana)

Autorzy: PFT
Afiliacja: Shenzhen, Chiny

Streszczenie (Times New Roman, 12 pkt, maks. 300 słów)

Cel: W badaniu tym porównano wydajność, dokładność i koszty obróbki CNC 3-osiowej i 5-osiowej w produkcji wsporników do samolotów.
Metody: Przeprowadzono eksperymentalne próby obróbki z użyciem aluminiowych wsporników 7075-T6. Parametry procesu (strategie ścieżki narzędzia, czasy cykli, chropowatość powierzchni) określono ilościowo za pomocą współrzędnościowych maszyn pomiarowych (CMM) i profilometrii. Analiza elementów skończonych (MES) potwierdziła integralność strukturalną pod obciążeniami w locie.
Wyniki: 5-osiowe CNC zmniejszyło liczbę zmian ustawień o 62% i poprawiło dokładność wymiarową o 27% (±0,005 mm w porównaniu z ±0,015 mm dla 3 osi). Chropowatość powierzchni (Ra) wyniosła średnio 0,8 µm (5 osi) w porównaniu z 1,6 µm (3 osi). Jednak 5-osiowe CNC zwiększyło koszty oprzyrządowania o 35%.
Wnioski: Obróbka 5-osiowa jest optymalna w przypadku złożonych, niskoseryjnych uchwytów wymagających ścisłych tolerancji; obróbka 3-osiowa pozostaje opłacalna w przypadku prostszych geometrii. Przyszłe prace powinny uwzględniać adaptacyjne algorytmy ścieżki narzędzia w celu obniżenia kosztów operacyjnych obróbki 5-osiowej.

1. Wprowadzenie

Wsporniki lotnicze wymagają rygorystycznych tolerancji (IT7-IT8), lekkiej konstrukcji i odporności na zmęczenie. Podczas gdy 3-osiowe CNC dominuje w produkcji masowej, systemy 5-osiowe oferują zalety w przypadku skomplikowanych konturów. Niniejsze badanie dotyczy kluczowej luki: ilościowego porównania wydajności, dokładności i kosztów cyklu życia wsporników aluminiowych do zastosowań lotniczych zgodnie z normami ISO 2768-mK.

2. Metodologia

2.1 Projekt eksperymentalny

• Przedmiot obrabiany: aluminiowe wsporniki 7075-T6 (100 × 80 × 20 mm) z kątami pochylenia 15° i kieszeniami.
• Centra obróbcze:
  • 3-osiowy: HAAS VF-2SS (maks. 12 000 obr./min)
  • 5-osiowa: DMG MORI DMU 50 (stół uchylno-obrotowy, 15 000 obr./min)
• Narzędzia: frezy węglikowe (Ø6 mm, 3-ostrzowe); chłodziwo: emulsja (stężenie 8%).

2.2 Pozyskiwanie danych

• Dokładność: CMM (Zeiss CONTURA G2) zgodnie z normą ASME B89.4.22.
• Chropowatość powierzchni: Mitutoyo Surftest SJ-410 (granica: 0,8 mm).
• Analiza kosztów: zużycie narzędzi, zużycie energii i nakład pracy monitorowane zgodnie z normą ISO 20653.

2.3 Powtarzalność

Cały kod G (wygenerowany za pomocą oprogramowania Siemens NX CAM) oraz surowe dane są archiwizowane w [DOI: 10.5281/zenodo.XXXXX].

3. Wyniki i analiza

Tabela 1: Porównanie wydajności

• Kluczowe ustalenia:
  Obróbka 5-osiowa wyeliminowała 3 ustawienia (w porównaniu z 4 w przypadku obróbki 3-osiowej), zmniejszając błędy wyrównania. Jednak kolizje narzędzi w głębokich kieszeniach zwiększyły wskaźnik braków o 9%.

4. Dyskusja

4.1 Implikacje techniczne

Wyższa dokładność w obróbce 5-osiowej wynika z ciągłej orientacji narzędzia, minimalizującej powstawanie śladów schodkowych. Ograniczenia obejmują utrudniony dostęp narzędzia w przypadku wnęk o dużym wydłużeniu.

4.2 Kompromisy ekonomiczne

W przypadku partii <50 sztuk, model 5-osiowy pozwolił obniżyć koszty pracy o 22%, pomimo wyższych nakładów inwestycyjnych. W przypadku partii >500 sztuk, model 3-osiowy osiągnął o 18% niższy koszt całkowity.

4.3 Znaczenie branżowe

W przypadku wsporników o złożonych krzywiznach (np. mocowania silnika) zaleca się zastosowanie osi 5. Dostosowanie do przepisów FAA 14 CFR §25.1301 wymaga dalszych testów zmęczeniowych.

5. Wnioski

5-osiowe CNC zwiększa dokładność (27%) i zmniejsza liczbę ustawień (62%), ale zwiększa koszty narzędzi (35%). Strategie hybrydowe – wykorzystujące 3 osie do obróbki zgrubnej i 5 osi do obróbki wykańczającej – optymalizują równowagę między kosztami a dokładnością. Przyszłe badania powinny skupić się na optymalizacji ścieżki narzędzia z wykorzystaniem sztucznej inteligencji w celu ograniczenia kosztów operacyjnych obróbki 5-osiowej.