Fabricarea de piese metalice personalizate cu prelucrare pe 5 axe

Fabricarea de piese metalice personalizate cu prelucrare pe 5 axe

Autor:PFT, Shenzhen

Abstract:Fabricația avansată necesită componente metalice din ce în ce mai complexe și de înaltă precizie în sectoarele aerospațial, medical și energetic. Această analiză evaluează capacitățile prelucrării moderne cu comandă numerică computerizată (CNC) pe 5 axe în îndeplinirea acestor cerințe. Utilizând geometrii de referință reprezentative pentru rotoare complexe și palete de turbină, au fost efectuate teste de prelucrare care au comparat metodele pe 5 axe cu cele tradiționale pe 3 axe pe titan de calitate aerospațială (Ti-6Al-4V) și oțel inoxidabil (316L). Rezultatele demonstrează o reducere cu 40-60% a timpului de prelucrare și o îmbunătățire a rugozității suprafeței (Ra) de până la 35% cu procesarea pe 5 axe, atribuită setărilor reduse și orientării optimizate a sculelor. Precizia geometrică pentru caracteristicile cu toleranță de ±0,025 mm a crescut în medie cu 28%. Deși necesită expertiză și investiții inițiale semnificative în programare, prelucrarea pe 5 axe permite producerea fiabilă a unor geometrii anterior impracticabile, cu eficiență și finisaj superioare. Aceste capacități poziționează tehnologia pe 5 axe ca fiind esențială pentru fabricarea de piese metalice personalizate complexe, de mare valoare.

1. Introducere
Efortul neobosit de optimizare a performanței în industrii precum cea aerospațială (care necesită piese mai ușoare și mai rezistente), medicală (care necesită implanturi biocompatibile, specifice pacientului) și energetică (care necesită componente complexe de manipulare a fluidelor) a împins limitele complexității pieselor metalice. Prelucrarea CNC tradițională pe 3 axe, constrânsă de accesul limitat la scule și de configurațiile multiple necesare, se confruntă cu contururi complicate, cavități adânci și caracteristici care necesită unghiuri compuse. Aceste limitări duc la compromiterea preciziei, timpi de producție extinși, costuri mai mari și restricții de proiectare. Până în 2025, capacitatea de a fabrica eficient piese metalice de precizie extrem de complexe nu mai este un lux, ci o necesitate competitivă. Prelucrarea CNC modernă pe 5 axe, care oferă controlul simultan a trei axe liniare (X, Y, Z) și două axe de rotație (A, B sau C), prezintă o soluție transformatoare. Această tehnologie permite sculei așchietoare să se apropie de piesa de prelucrat din aproape orice direcție într-o singură configurație, depășind fundamental limitările de acces inerente prelucrării pe 3 axe. Acest articol examinează capacitățile specifice, avantajele cuantificate și considerațiile practice de implementare a prelucrării pe 5 axe pentru producția de piese metalice personalizate.

2. Metode
2.1 Proiectare și analiză comparativă
Două piese de referință au fost proiectate folosind software-ul CAD Siemens NX, întruchipând provocări comune în fabricația personalizată:

Rotor:Prezintă lame complexe, răsucite, cu rapoarte de aspect ridicate și distanțe strânse.

Lamă de turbină:Incluzând curburi compuse, pereți subțiri și suprafețe de montare precise.
Aceste modele au încorporat intenționat adâncituri, buzunare adânci și caracteristici care necesită acces neortogonal la scule, vizând în mod specific limitele prelucrării pe 3 axe.

2.2 Materiale și echipamente

Materiale:Titanul de calitate aerospațială (Ti-6Al-4V, stare recoaptă) și oțelul inoxidabil 316L au fost selectate pentru relevanța lor în aplicații solicitante și caracteristicile distincte de prelucrare.

Mașini:

5 axe:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (comandă numerică Heidenhain TNC 640).

3 axe:HAAS VF-4SS (control HAAS NGC).

Scule:Pentru degroșare și finisare s-au folosit freze din carbură solidă acoperite (diverse diametre, cu vârf sferic și cu capăt plat) de la Kennametal și Sandvik Coromant. Parametrii de așchiere (viteza, avansul, adâncimea de așchiere) au fost optimizați în funcție de material și de capacitățile mașinii, utilizând recomandările producătorului de scule și așchii de probă controlate.

Prindere de piese:Dispozitive modulare prelucrate cu precizie, personalizate, au asigurat o fixare rigidă și o poziționare repetabilă pentru ambele tipuri de mașini. Pentru testele pe 3 axe, piesele care necesitau rotație au fost repoziționate manual folosind dibluri de precizie, simulând practica tipică din atelier. Testele pe 5 axe au utilizat capacitatea completă de rotație a mașinii într-o singură configurație de dispozitiv.

2.3 Achiziția și analiza datelor

Timp de ciclu:Măsurat direct de la cronometrele mașinii.

Rugozitatea suprafeței (Ra):Măsurat cu ajutorul unui profilometru Mitutoyo Surftest SJ-410 în cinci locații critice per piesă. Trei piese au fost prelucrate per combinație material/mașină.

Precizie geometrică:Scanat cu o mașină de măsurat în coordonate (CMM) Zeiss CONTURA G2. Dimensiunile critice și toleranțele geometrice (planeitate, perpendicularitate, profil) au fost comparate cu modelele CAD.

Analiză statistică:Valorile medii și abaterile standard au fost calculate pentru timpul de ciclu și măsurătorile Ra. Datele CMM au fost analizate pentru abaterea de la dimensiunile nominale și ratele de respectare a toleranțelor.

Tabelul 1: Rezumatul configurării experimentale

3. Rezultate și analiză
3.1 Câștiguri de eficiență
Prelucrarea pe 5 axe a demonstrat economii substanțiale de timp. Pentru rotorul din titan, prelucrarea pe 5 axe a redus timpul de ciclu cu 58% comparativ cu prelucrarea pe 3 axe (2,1 ore față de 5,0 ore). Lama turbinei din oțel inoxidabil a prezentat o reducere de 42% (1,8 ore față de 3,1 ore). Aceste câștiguri au rezultat în principal din eliminarea setărilor multiple și a timpului asociat de manipulare/refixare manuală și din permiterea unor traiectorii ale sculelor mai eficiente, cu așchii mai lungi și continue, datorită orientării optimizate a sculelor.

3.2 Îmbunătățirea calității suprafeței
Rugozitatea suprafeței (Ra) s-a îmbunătățit constant prin prelucrarea pe 5 axe. Pe suprafețele complexe ale palelor rotorului din titan, valorile medii Ra au scăzut cu 32% (0,8 µm față de 1,18 µm). Îmbunătățiri similare au fost observate și la palele turbinei din oțel inoxidabil (Ra redus cu 35%, în medie 0,65 µm față de 1,0 µm). Această îmbunătățire este atribuită capacității de a menține un unghi de contact de așchiere constant și optim și vibrațiilor reduse ale sculei printr-o rigiditate mai bună a sculei în extensii mai scurte ale sculei.

3.3 Îmbunătățirea preciziei geometrice
Analiza CMM a confirmat o precizie geometrică superioară cu procesarea pe 5 axe. Procentul de caracteristici critice menținute în limitele toleranței stricte de ±0,025 mm a crescut semnificativ: cu 30% pentru rotorul din titan (obținând o conformitate de 92% față de 62%) și cu 26% pentru lama din oțel inoxidabil (obținând o conformitate de 89% față de 63%). Această îmbunătățire provine direct din eliminarea erorilor cumulative introduse de configurațiile multiple și repoziționarea manuală necesară în procesul pe 3 axe. Caracteristicile care solicită unghiuri compuse au arătat cele mai dramatice câștiguri de precizie.

*Figura 1: Indicatori comparativi de performanță (5 axe vs. 3 axe)*

4. Discuție
Rezultatele stabilesc clar avantajele tehnice ale prelucrării pe 5 axe pentru piese metalice personalizate complexe. Reducerile semnificative ale timpului de ciclu se traduc direct în costuri mai mici per piesă și o capacitate de producție crescută. Finisajul îmbunătățit al suprafeței reduce sau elimină operațiunile secundare de finisare, cum ar fi lustruirea manuală, reducând și mai mult costurile și timpii de livrare, sporind în același timp consecvența pieselor. Saltul în precizia geometrică este esențial pentru aplicațiile de înaltă performanță, cum ar fi motoarele aerospațiale sau implanturile medicale, unde funcționalitatea și siguranța pieselor sunt primordiale.

Aceste avantaje provin în principal din capacitatea de bază a prelucrării pe 5 axe: mișcarea simultană pe mai multe axe care permite procesarea cu o singură configurare. Aceasta elimină erorile induse de configurare și timpul de manipulare. În plus, orientarea optimă continuă a sculei (menținând sarcina ideală a așchiilor și forțele de așchiere) îmbunătățește finisajul suprafeței și permite strategii de prelucrare mai agresive acolo unde rigiditatea sculei permite, contribuind la creșterea vitezei.

Cu toate acestea, adoptarea practică necesită recunoașterea limitărilor. Investiția de capital pentru o mașină pe 5 axe capabilă și unelte adecvate este substanțial mai mare decât pentru echipamentele pe 3 axe. Complexitatea programării crește exponențial; generarea unor traiectorii de scule pe 5 axe eficiente, fără coliziuni, necesită programatori CAM înalt calificați și software sofisticat. Simularea și verificarea devin etape obligatorii înainte de prelucrare. Fixarea trebuie să ofere atât rigiditate, cât și un spațiu liber suficient pentru o deplasare completă de rotație. Acești factori ridică nivelul de calificare necesar operatorilor și programatorilor.

Implicația practică este clară: prelucrarea pe 5 axe excelează pentru componente complexe și de mare valoare, unde avantajele sale în materie de viteză, calitate și capacitate justifică cheltuielile operaționale și investițiile mai mari. Pentru piesele mai simple, prelucrarea pe 3 axe rămâne mai economică. Succesul depinde de investițiile atât în tehnologie, cât și în personal calificat, împreună cu instrumente CAM și de simulare robuste. Colaborarea timpurie între proiectare, inginerie de fabricație și atelierul mecanic este crucială pentru a valorifica pe deplin capacitățile pe 5 axe în timpul proiectării pieselor pentru fabricabilitate (DFM).

5. Concluzie
Prelucrarea CNC modernă pe 5 axe oferă o soluție demonstrabil superioară pentru fabricarea de piese metalice personalizate complexe, de înaltă precizie, în comparație cu metodele tradiționale pe 3 axe. Constatările cheie confirmă:

Eficiență semnificativă:Reduceri ale timpului de ciclu cu 40-60% prin prelucrarea cu o singură configurație și traiectorii optimizate ale sculelor.

Calitate îmbunătățită:Îmbunătățiri ale rugozității suprafeței (Ra) de până la 35% datorită orientării și contactului optim al sculei.

Precizie superioară:Creștere medie de 28% a menținerii toleranțelor geometrice critice în limita a ±0,025 mm, eliminând erorile din configurațiile multiple.
Tehnologia permite producerea de geometrii complexe (cavități adânci, degajări, curbe compuse) care sunt impracticabile sau imposibile cu prelucrarea pe 3 axe, abordând direct cerințele în continuă evoluție ale sectoarelor aerospațial, medical și energetic.

Pentru a maximiza rentabilitatea investiției în capacitatea pe 5 axe, producătorii ar trebui să se concentreze pe piese de înaltă complexitate și valoare ridicată, unde precizia și timpul de livrare sunt factori competitivi critici. Lucrările viitoare ar trebui să exploreze integrarea prelucrării pe 5 axe cu metrologia în timpul procesului pentru controlul calității în timp real și prelucrarea în buclă închisă, sporind și mai mult precizia și reducând deșeurile. Cercetările continue privind strategiile adaptive de prelucrare care valorifică flexibilitatea pe 5 axe pentru materiale dificil de prelucrat, cum ar fi Inconel sau oțelurile călite, prezintă, de asemenea, o direcție valoroasă.