Výroba kovových dielov na mieru s 5-osovým obrábaním
Výroba kovových dielov na mieru s 5-osovým obrábaním
Autor:PFT, Šen-čen
Abstrakt:Pokročilá výroba si vyžaduje čoraz komplexnejšie a vysoko presné kovové komponenty v leteckom, medicínskom a energetickom sektore. Táto analýza hodnotí schopnosti moderného 5-osového obrábania s numerickým riadením (CNC) pri plnení týchto požiadaviek. S využitím referenčných geometrií reprezentatívnych pre zložité obežné kolesá a lopatky turbín sa vykonali pokusy o obrábanie porovnávajúce 5-osové a tradičné 3-osové metódy na titáne leteckej triedy (Ti-6Al-4V) a nehrdzavejúcej oceli (316L). Výsledky preukazujú 40 – 60 % skrátenie času obrábania a zlepšenie drsnosti povrchu (Ra) až o 35 % pri 5-osovom obrábaní, čo sa pripisuje zníženému počtu nastavení a optimalizovanej orientácii nástrojov. Geometrická presnosť prvkov v rámci tolerancie ±0,025 mm sa zvýšila v priemere o 28 %. Hoci si vyžaduje značné počiatočné programátorské znalosti a investície, 5-osové obrábanie umožňuje spoľahlivú výrobu predtým nerealizovateľných geometrií s vynikajúcou účinnosťou a povrchovou úpravou. Vďaka týmto schopnostiam je 5-osová technológia nevyhnutná pre výrobu vysokohodnotných a komplexných kovových dielov na mieru.
1. Úvod
Neúnavné úsilie o optimalizáciu výkonu v odvetviach ako letecký priemysel (požadujúci ľahšie a pevnejšie súčiastky), medicína (vyžadujúca biokompatibilné implantáty špecifické pre pacienta) a energetika (vyžadujúca komplexné komponenty na manipuláciu s kvapalinami) posunulo hranice zložitosti kovových súčiastok. Tradičné 3-osové CNC obrábanie, obmedzené obmedzeným prístupom k nástrojom a viacerými potrebnými nastaveniami, zápasí so zložitými kontúrami, hlbokými dutinami a prvkami vyžadujúcimi zložené uhly. Tieto obmedzenia vedú k zníženej presnosti, predĺženým výrobným časom, vyšším nákladom a konštrukčným obmedzeniam. Do roku 2025 už schopnosť efektívne vyrábať vysoko zložité, presné kovové súčiastky nie je luxusom, ale konkurenčnou nevyhnutnosťou. Moderné 5-osové CNC obrábanie, ktoré ponúka súčasné riadenie troch lineárnych osí (X, Y, Z) a dvoch rotačných osí (A, B alebo C), predstavuje transformačné riešenie. Táto technológia umožňuje reznému nástroju priblížiť sa k obrobku prakticky z akéhokoľvek smeru v jednom nastavení, čím zásadne prekonáva obmedzenia prístupu, ktoré sú vlastné 3-osovému obrábaniu. Tento článok skúma špecifické možnosti, kvantifikované výhody a praktické aspekty implementácie 5-osového obrábania pre výrobu kovových súčiastok na mieru.
2. Metódy
2.1 Návrh a benchmarking
Dva referenčné diely boli navrhnuté pomocou softvéru Siemens NX CAD, ktoré stelesňujú bežné výzvy v zákazkovej výrobe:
Obežné koleso:Vyznačuje sa zložitými, skrútenými čepeľami s vysokým pomerom strán a malými medzerami.
Lopatka turbíny:Zahŕňa zložené zakrivenia, tenké steny a presné montážne povrchy.
Tieto návrhy zámerne zahŕňali podrezania, hlboké vrecká a prvky vyžadujúce neortogonálny prístup k nástroju, pričom sa zameriavali najmä na obmedzenia 3-osového obrábania.
2.2 Materiály a vybavenie
Materiály:Titán leteckej kvality (Ti-6Al-4V, žíhaný stav) a nehrdzavejúca oceľ 316L boli vybrané pre ich relevantnosť v náročných aplikáciách a odlišné charakteristiky obrábania.
Stroje:
5-osový:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (riadiaci systém Heidenhain TNC 640).
3-osový:HAAS VF-4SS (riadenie HAAS NGC).
Nástroje:Na hrubovanie a dokončovanie boli použité povlakované monolitné karbidové frézy (rôzne priemery, s guľovým čelom a s plochým koncom) od spoločností Kennametal a Sandvik Coromant. Parametre rezania (rýchlosť, posuv, hĺbka rezu) boli optimalizované podľa materiálu a možností stroja s použitím odporúčaní výrobcu nástrojov a kontrolovaných skúšobných rezov.
Upínanie obrobku:Vlastné, presne opracované modulárne upínacie prípravky zabezpečili pevné upnutie a opakovateľné umiestnenie pre oba typy strojov. Pri 3-osových skúškach boli diely vyžadujúce otáčanie manuálne premiestňované pomocou presných kolíkov, čím sa simulovala typická prax v dielni. 5-osové skúšky využili plnú rotačnú kapacitu stroja v rámci jedného nastavenia upínacieho prípravku.
2.3 Zber a analýza údajov
Čas cyklu:Merané priamo z časovačov stroja.
Drsnosť povrchu (Ra):Merané pomocou profilometra Mitutoyo Surftest SJ-410 na piatich kritických miestach na diel. Na kombináciu materiálu a stroja boli obrobené tri diely.
Geometrická presnosť:Skenované pomocou súradnicového meracieho stroja (CMM) Zeiss CONTURA G2. Kritické rozmery a geometrické tolerancie (rovinnosť, kolmosť, profil) boli porovnané s CAD modelmi.
Štatistická analýza:Pre čas cyklu a merania Ra boli vypočítané priemerné hodnoty a štandardné odchýlky. Údaje zo súradnicového měřidla (CMM) boli analyzované z hľadiska odchýlok od menovitých rozmerov a miery dodržiavania tolerancií.
Tabuľka 1: Súhrn experimentálneho nastavenia
| Prvok | 5-osové nastavenie | 3-osové nastavenie |
|---|---|---|
| Stroj | DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5-osový) | HAAS VF-4SS (3-osový) |
| Upínanie | Jedno vlastné svietidlo | Jedno vlastné zariadenie + manuálne rotácie |
| Počet nastavení | 1 | 3 (obežné koleso), 4 (lopatka turbíny) |
| CAM softvér | Siemens NX CAM (Viacosové dráhy nástroja) | Siemens NX CAM (3-osové dráhy nástroja) |
| Meranie | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Výsledky a analýza
3.1 Zvýšenie efektívnosti
5-osové obrábanie preukázalo značné úspory času. V prípade titánového obežného kolesa 5-osové obrábanie skrátilo čas cyklu o 58 % v porovnaní s 3-osovým obrábaním (2,1 hodiny oproti 5,0 hodinám). Lopatka turbíny z nehrdzavejúcej ocele vykázala 42 % skrátenie (1,8 hodiny oproti 3,1 hodiny). Tieto zisky boli predovšetkým výsledkom eliminácie viacerých nastavení a súvisiaceho času manuálnej manipulácie/opätovného upnutia a umožnenia efektívnejších dráh nástrojov s dlhšími, kontinuálnymi rezmi vďaka optimalizovanej orientácii nástroja.
3.2 Zlepšenie kvality povrchu
Drsnosť povrchu (Ra) sa pri 5-osovom obrábaní konzistentne zlepšovala. Na zložitých plochách lopatiek titánového obežného kolesa sa priemerné hodnoty Ra znížili o 32 % (0,8 µm oproti 1,18 µm). Podobné zlepšenia sa pozorovali aj na lopatkách turbíny z nehrdzavejúcej ocele (Ra sa znížilo o 35 %, v priemere 0,65 µm oproti 1,0 µm). Toto zlepšenie sa pripisuje schopnosti udržiavať konštantný, optimálny kontaktný uhol rezu a zníženým vibráciám nástroja vďaka lepšej tuhosti nástroja v kratších predĺženiach nástroja.
3.3 Zlepšenie geometrickej presnosti
Analýza pomocou súradnicového meracieho prístroja (CMM) potvrdila vynikajúcu geometrickú presnosť pri 5-osovom spracovaní. Percento kritických prvkov, ktoré sa nachádzali v rámci prísnej tolerancie ±0,025 mm, sa výrazne zvýšilo: o 30 % pre titánové obežné koleso (dosiahnutie 92 % zhody oproti 62 %) a o 26 % pre čepeľ z nehrdzavejúcej ocele (dosiahnutie 89 % zhody oproti 63 %). Toto zlepšenie vyplýva priamo z eliminácie kumulatívnych chýb spôsobených viacerými nastaveniami a manuálnym prepolohovaním potrebným v 3-osovom procese. Prvky vyžadujúce zložené uhly vykazovali najvýraznejšie zvýšenie presnosti.
*Obrázok 1: Porovnávacie metriky výkonnosti (5-osový vs. 3-osový)*
4. Diskusia
Výsledky jasne dokazujú technické výhody 5-osového obrábania zložitých kovových dielov na mieru. Výrazné skrátenie doby cyklu sa priamo premieta do nižších nákladov na diel a zvýšenej výrobnej kapacity. Vylepšená povrchová úprava znižuje alebo eliminuje sekundárne dokončovacie operácie, ako je ručné leštenie, čím sa ďalej znižujú náklady a dodacie lehoty a zároveň sa zvyšuje konzistencia dielov. Skok v geometrickej presnosti je kľúčový pre vysokovýkonné aplikácie, ako sú letecké motory alebo lekárske implantáty, kde je funkčnosť a bezpečnosť dielov prvoradá.
Tieto výhody vyplývajú predovšetkým zo základnej schopnosti 5-osového obrábania: simultánny pohyb vo viacerých osiach, ktorý umožňuje spracovanie s jedným nastavením. To eliminuje chyby a čas manipulácie spôsobené nastavením. Okrem toho, nepretržitá optimálna orientácia nástroja (udržiavanie ideálneho zaťaženia trieskami a rezných síl) zlepšuje kvalitu povrchu a umožňuje agresívnejšie stratégie obrábania tam, kde to umožňuje tuhosť nástroja, čo prispieva k zvýšeniu rýchlosti.
Praktické zavedenie si však vyžaduje uznanie obmedzení. Kapitálové investície do výkonného 5-osového stroja a vhodného nástrojového vybavenia sú podstatne vyššie ako v prípade 3-osového zariadenia. Zložitosť programovania sa exponenciálne zvyšuje; generovanie efektívnych, bezkolíznych dráh nástrojov v 5 osiach si vyžaduje vysoko kvalifikovaných CAM programátorov a sofistikovaný softvér. Simulácia a overenie sa stávajú povinnými krokmi pred obrábaním. Upínací prípravok musí poskytovať tuhosť aj dostatočnú vôľu pre plný rotačný pohyb. Tieto faktory zvyšujú úroveň zručností požadovanú od operátorov a programátorov.
Praktický dôsledok je jasný: 5-osové obrábanie vyniká pre vysokohodnotné, zložité súčiastky, kde jeho výhody v rýchlosti, kvalite a schopnostiach odôvodňujú vyššie prevádzkové náklady a investície. Pre jednoduchšie súčiastky zostáva 3-osové obrábanie ekonomickejšie. Úspech závisí od investícií do technológií aj kvalifikovaného personálu, spolu s robustnými nástrojmi CAM a simulácie. Včasná spolupráca medzi konštrukčným oddelením, výrobným inžinierstvom a obrábacou dielňou je kľúčová pre plné využitie 5-osových možností pri navrhovaní súčiastok pre vyrobiteľnosť (DFM).
5. Záver
Moderné 5-osové CNC obrábanie poskytuje preukázateľne lepšie riešenie pre výrobu zložitých, vysoko presných zákazkových kovových dielov v porovnaní s tradičnými 3-osovými metódami. Kľúčové zistenia potvrdzujú:
Významná účinnosť:Skrátenie doby cyklu o 40 – 60 % vďaka obrábaniu s jedným nastavením a optimalizovaným dráham nástrojov.
Zvýšená kvalita:Zlepšenie drsnosti povrchu (Ra) až o 35 % vďaka optimálnej orientácii nástroja a kontaktu.
Vynikajúca presnosť:Priemerné 28% zvýšenie udržiavania kritických geometrických tolerancií v rozmedzí ±0,025 mm, čím sa eliminujú chyby z viacerých nastavení.
Táto technológia umožňuje výrobu zložitých geometrií (hlboké dutiny, podrezania, zložené krivky), ktoré sú pri 3-osovom obrábaní nepraktické alebo nemožné, čím priamo rieši vyvíjajúce sa požiadavky leteckého, lekárskeho a energetického sektora.
Aby sa maximalizovala návratnosť investícií do 5-osového obrábania, výrobcovia by sa mali zamerať na vysoko zložité a hodnotné diely, kde sú presnosť a dodacia lehota kľúčovými konkurenčnými faktormi. Budúca práca by mala preskúmať integráciu 5-osového obrábania s metrológiou počas procesu pre kontrolu kvality v reálnom čase a obrábanie v uzavretej slučke, čím sa ďalej zvýši presnosť a zníži odpad. Cenným smerom je aj pokračujúci výskum adaptívnych stratégií obrábania využívajúcich flexibilitu 5-osového obrábania pre ťažko obrábateľné materiály, ako je Inconel alebo kalené ocele.
