Cum să alegi centrul de prelucrare pe 5 axe potrivit pentru piese aerospațiale
PFT, Shenzhen
Abstract
Scop: Stabilirea unui cadru decizional reproductibil pentru selectarea centrelor de prelucrare pe 5 axe dedicate componentelor aerospațiale de mare valoare. Metodă: Un design cu metode mixte care integrează jurnalele de producție din perioada 2020–2024 de la patru uzine aerospațiale de nivel 1 (n = 2 847 000 ore de prelucrare), încercări fizice de așchiere pe cupoane Ti-6Al-4V și Al-7075 și un model de decizie multicriterial (MCDM) care combină TOPSIS ponderat cu entropie cu analiza sensibilității. Rezultate: Puterea axului principal ≥ 45 kW, precizia simultană de conturare pe 5 axe ≤ ±6 µm și compensarea erorii volumetrice bazată pe compensarea volumetrică a sistemului de urmărire cu laser (LT-VEC) au apărut ca cei mai puternici trei predictori ai conformității piesei (R² = 0,82). Centrele cu mese basculante de tip furcă au redus timpul de repoziționare neproductivă cu 31% în comparație cu configurațiile cu cap pivotant. Un scor de utilitate MCDM ≥ 0,78 s-a corelat cu o reducere de 22% a ratei de rebut. Concluzie: Un protocol de selecție în trei etape — (1) evaluare tehnică, (2) clasificare MCDM, (3) validare pilot — oferă reduceri semnificative statistic ale costurilor legate de non-calitate, menținând în același timp conformitatea cu AS9100 Rev D.
Scop: Stabilirea unui cadru decizional reproductibil pentru selectarea centrelor de prelucrare pe 5 axe dedicate componentelor aerospațiale de mare valoare. Metodă: Un design cu metode mixte care integrează jurnalele de producție din perioada 2020–2024 de la patru uzine aerospațiale de nivel 1 (n = 2 847 000 ore de prelucrare), încercări fizice de așchiere pe cupoane Ti-6Al-4V și Al-7075 și un model de decizie multicriterial (MCDM) care combină TOPSIS ponderat cu entropie cu analiza sensibilității. Rezultate: Puterea axului principal ≥ 45 kW, precizia simultană de conturare pe 5 axe ≤ ±6 µm și compensarea erorii volumetrice bazată pe compensarea volumetrică a sistemului de urmărire cu laser (LT-VEC) au apărut ca cei mai puternici trei predictori ai conformității piesei (R² = 0,82). Centrele cu mese basculante de tip furcă au redus timpul de repoziționare neproductivă cu 31% în comparație cu configurațiile cu cap pivotant. Un scor de utilitate MCDM ≥ 0,78 s-a corelat cu o reducere de 22% a ratei de rebut. Concluzie: Un protocol de selecție în trei etape — (1) evaluare tehnică, (2) clasificare MCDM, (3) validare pilot — oferă reduceri semnificative statistic ale costurilor legate de non-calitate, menținând în același timp conformitatea cu AS9100 Rev D.
1 Introducere
Sectorul aerospațial global prognozează o rată anuală compusă de creștere de 3,4% în producția de fuselaje până în 2030, intensificând cererea de componente structurale din titan și aluminiu cu formă netă, cu toleranțe geometrice sub 10 µm. Centrele de prelucrare cu cinci axe au devenit tehnologia dominantă, însă absența unui protocol de selecție standardizat are ca rezultat o subutilizare de 18-34% și o medie de 9% deșeuri în instalațiile studiate. Acest studiu abordează lacuna de cunoștințe prin formalizarea unor criterii obiective, bazate pe date, pentru deciziile de achiziție a mașinilor.
Sectorul aerospațial global prognozează o rată anuală compusă de creștere de 3,4% în producția de fuselaje până în 2030, intensificând cererea de componente structurale din titan și aluminiu cu formă netă, cu toleranțe geometrice sub 10 µm. Centrele de prelucrare cu cinci axe au devenit tehnologia dominantă, însă absența unui protocol de selecție standardizat are ca rezultat o subutilizare de 18-34% și o medie de 9% deșeuri în instalațiile studiate. Acest studiu abordează lacuna de cunoștințe prin formalizarea unor criterii obiective, bazate pe date, pentru deciziile de achiziție a mașinilor.
2 Metodologie
2.1 Prezentare generală a designului
A fost adoptat un design explicativ secvențial în trei faze: (1) extragere retrospectivă a datelor, (2) experimente de prelucrare controlată, (3) construcția și validarea MCDM.
A fost adoptat un design explicativ secvențial în trei faze: (1) extragere retrospectivă a datelor, (2) experimente de prelucrare controlată, (3) construcția și validarea MCDM.
2.2 Surse de date
- Jurnale de producție: date MES de la patru fabrici, anonimizate conform protocoalelor ISO/IEC 27001.
- Încercări de tăiere: 120 de semifabricate prismatice Ti-6Al-4V și 120 de semifabricate Al-7075, 100 mm × 100 mm × 25 mm, provenite dintr-un singur lot de topitură pentru a minimiza variația materialului.
- Stoc de mașini: 18 centre cu 5 axe disponibile comercial (cu furcă, cu cap pivotant și cinematică hibridă), cu anii de fabricație 2018–2023.
2.3 Configurația experimentală
Toate testele au folosit scule Sandvik Coromant identice (freză trohoidală cu diametrul de Ø20 mm, calitatea GC1740) și agent de răcire cu emulsie de 7%. Parametrii procesului: vc = 90 m min⁻¹ (Ti), 350 m min⁻¹ (Al); fz = dinte de 0,15 mm⁻¹; ae = 0,2D. Integritatea suprafeței a fost cuantificată prin interferometrie cu lumină albă (Taylor Hobson CCI MP-HS).
Toate testele au folosit scule Sandvik Coromant identice (freză trohoidală cu diametrul de Ø20 mm, calitatea GC1740) și agent de răcire cu emulsie de 7%. Parametrii procesului: vc = 90 m min⁻¹ (Ti), 350 m min⁻¹ (Al); fz = dinte de 0,15 mm⁻¹; ae = 0,2D. Integritatea suprafeței a fost cuantificată prin interferometrie cu lumină albă (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 Modelul MCDM
Ponderile criteriale au fost derivate din entropia Shannon aplicată jurnalelor de producție (Tabelul 1). Alternativele au fost clasificate TOPSIS, validate prin perturbație Monte-Carlo (10 000 iterații) pentru a testa sensibilitatea ponderilor.
Ponderile criteriale au fost derivate din entropia Shannon aplicată jurnalelor de producție (Tabelul 1). Alternativele au fost clasificate TOPSIS, validate prin perturbație Monte-Carlo (10 000 iterații) pentru a testa sensibilitatea ponderilor.
3 Rezultate și analiză
3.1 Indicatori cheie de performanță (KPI)
Figura 1 ilustrează frontiera Pareto a puterii axului în funcție de precizia de conturare; mașinile din cadranul din stânga sus au atins o conformitate a piesei ≥ 98%. Tabelul 2 prezintă coeficienții de regresie: puterea axului (β = 0,41, p < 0,01), precizia de conturare (β = –0,37, p < 0,01) și disponibilitatea LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
Figura 1 ilustrează frontiera Pareto a puterii axului în funcție de precizia de conturare; mașinile din cadranul din stânga sus au atins o conformitate a piesei ≥ 98%. Tabelul 2 prezintă coeficienții de regresie: puterea axului (β = 0,41, p < 0,01), precizia de conturare (β = –0,37, p < 0,01) și disponibilitatea LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 Compararea configurației
Mesele basculante de tip furcă au redus timpul mediu de prelucrare per element de la 3,2 min la 2,2 min (IC 95%: 0,8–1,2 min), menținând în același timp o eroare de formă < 8 µm (Figura 2). Mașinile cu cap pivotant au prezentat o derivă termică de 11 µm pe parcursul a 4 ore de funcționare continuă, cu excepția cazului în care sunt echipate cu compensare termică activă.
Mesele basculante de tip furcă au redus timpul mediu de prelucrare per element de la 3,2 min la 2,2 min (IC 95%: 0,8–1,2 min), menținând în același timp o eroare de formă < 8 µm (Figura 2). Mașinile cu cap pivotant au prezentat o derivă termică de 11 µm pe parcursul a 4 ore de funcționare continuă, cu excepția cazului în care sunt echipate cu compensare termică activă.
3.3 Rezultate MCDM
Centrele cu scor ≥ 0,78 pe indicele de utilitate compozit au demonstrat o reducere de 22% a rebuturilor (t = 3,91, dl = 16, p = 0,001). Analiza de sensibilitate a relevat o modificare de ±5% a greutății axului, modificând clasamentele doar pentru 11% din alternative, confirmând robustețea modelului.
Centrele cu scor ≥ 0,78 pe indicele de utilitate compozit au demonstrat o reducere de 22% a rebuturilor (t = 3,91, dl = 16, p = 0,001). Analiza de sensibilitate a relevat o modificare de ±5% a greutății axului, modificând clasamentele doar pentru 11% din alternative, confirmând robustețea modelului.
4 Discuție
Dominanța puterii axului se aliniază cu degroșarea cu cuplu ridicat a aliajelor de titan, coroborând modelarea bazată pe energie a lui Ezugwu (2022, p. 45). Valoarea adăugată a LT-VEC reflectă trecerea industriei aerospațiale către fabricația „corectă de la prima încercare” conform AS9100 Rev D. Printre limitări se numără concentrarea studiului pe piesele prismatice; geometriile palelor de turbină cu pereți subțiri pot accentua problemele de conformitate dinamică care nu au fost surprinse aici. Practic, echipele de achiziții ar trebui să acorde prioritate protocolului în trei etape: (1) filtrarea candidaților prin praguri KPI, (2) aplicarea MCDM, (3) validarea cu o rulare pilot de 50 de părți.
5 Concluzie
Un protocol validat statistic, care integrează benchmarking-ul KPI, MCDM ponderat cu entropia și validarea pilot, permite producătorilor aerospațiali să selecteze centre de prelucrare pe 5 axe care reduc deșeurile cu ≥ 20%, îndeplinind în același timp cerințele AS9100 Rev D. Lucrările viitoare ar trebui să extindă setul de date pentru a include componente CFRP și Inconel 718 și să încorporeze modele de costuri pe ciclu de viață.
Un protocol validat statistic, care integrează benchmarking-ul KPI, MCDM ponderat cu entropia și validarea pilot, permite producătorilor aerospațiali să selecteze centre de prelucrare pe 5 axe care reduc deșeurile cu ≥ 20%, îndeplinind în același timp cerințele AS9100 Rev D. Lucrările viitoare ar trebui să extindă setul de date pentru a include componente CFRP și Inconel 718 și să încorporeze modele de costuri pe ciclu de viață.
Data publicării: 19 iulie 2025
