Pembuatan Bahagian Logam Tersuai dengan Pemesinan 5-Paksi

Pembuatan Bahagian Logam Tersuai dengan Pemesinan 5-Paksi

Pengarang:PFT, Shenzhen

Abstrak:Pembuatan termaju menuntut komponen logam berketepatan tinggi yang semakin kompleks merentasi sektor aeroangkasa, perubatan dan tenaga. Analisis ini menilai keupayaan pemesinan kawalan berangka komputer (CNC) 5 paksi moden dalam memenuhi keperluan ini. Dengan menggunakan geometri penanda aras yang mewakili pendesak kompleks dan bilah turbin, ujian pemesinan telah dijalankan membandingkan kaedah 5 paksi berbanding 3 paksi tradisional pada titanium gred aeroangkasa (Ti-6Al-4V) dan keluli tahan karat (316L). Keputusan menunjukkan pengurangan 40-60% dalam masa pemesinan dan peningkatan kekasaran permukaan (Ra) sehingga 35% dengan pemprosesan 5 paksi, disebabkan oleh persediaan yang dikurangkan dan orientasi alat yang dioptimumkan. Ketepatan geometri untuk ciri dalam toleransi ±0.025mm meningkat sebanyak 28% secara purata. Walaupun memerlukan kepakaran dan pelaburan pengaturcaraan awal yang ketara, pemesinan 5 paksi membolehkan pengeluaran geometri yang tidak boleh dilaksanakan sebelum ini dengan kecekapan dan kemasan yang unggul. Keupayaan ini meletakkan teknologi 5 paksi sebagai penting untuk fabrikasi bahagian logam tersuai yang bernilai tinggi dan kompleks.

1. Pengenalan
Dorongan tanpa henti untuk pengoptimuman prestasi merentas industri seperti aeroangkasa (menuntut bahagian yang lebih ringan, lebih kuat), perubatan (memerlukan biokompatibel, implan khusus pesakit) dan tenaga (memerlukan komponen pengendalian cecair yang kompleks) telah menolak sempadan kerumitan bahagian logam. Pemesinan CNC 3 paksi tradisional, dikekang oleh akses alat yang terhad dan berbilang persediaan yang diperlukan, bergelut dengan kontur yang rumit, rongga dalam dan ciri yang memerlukan sudut kompaun. Had ini mengakibatkan ketepatan yang terjejas, masa pengeluaran yang dilanjutkan, kos yang lebih tinggi dan sekatan reka bentuk. Menjelang 2025, keupayaan untuk mengeluarkan bahagian logam ketepatan yang sangat kompleks dengan cekap bukan lagi satu kemewahan tetapi satu keperluan yang kompetitif. Pemesinan CNC 5 paksi moden, menawarkan kawalan serentak tiga paksi linear (X, Y, Z) dan dua paksi putaran (A, B atau C), membentangkan penyelesaian transformatif. Teknologi ini membolehkan alat pemotong mendekati bahan kerja dari hampir mana-mana arah dalam satu persediaan, secara asasnya mengatasi had akses yang wujud dalam pemesinan 3 paksi. Artikel ini mengkaji keupayaan khusus, kelebihan terkuantiti, dan pertimbangan pelaksanaan praktikal bagi pemesinan 5 paksi untuk pengeluaran bahagian logam tersuai.

2. Kaedah
2.1 Reka Bentuk & Penandaarasan
Dua bahagian penanda aras telah direka bentuk menggunakan perisian Siemens NX CAD, yang merangkumi cabaran biasa dalam pembuatan tersuai:

Pendesak:Menampilkan bilah yang kompleks dan berpintal dengan nisbah aspek yang tinggi dan kelegaan yang ketat.

Bilah Turbin:Menggabungkan kelengkungan kompaun, dinding nipis, dan permukaan pelekap ketepatan.
Reka bentuk ini sengaja memasukkan potongan bawah, poket dalam dan ciri yang memerlukan akses alat bukan ortogon, secara khusus menyasarkan pengehadan pemesinan 3 paksi.

2.2 Bahan & Peralatan

Bahan:Titanium gred aeroangkasa (Ti-6Al-4V, keadaan annealed) dan Keluli Tahan Karat 316L telah dipilih untuk kaitannya dalam aplikasi yang menuntut dan ciri pemesinan yang berbeza.

Mesin:

5-Paksi:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (kawalan Heidenhain TNC 640).

3-Paksi:HAAS VF-4SS (kawalan HAAS NGC).

Perkakas:Kilang hujung karbida pepejal bersalut (pelbagai diameter, hidung bebola, dan hujung rata) daripada Kennametal dan Sandvik Coromant telah digunakan untuk pengasaran dan kemasan. Parameter pemotongan (kelajuan, suapan, kedalaman pemotongan) telah dioptimumkan bagi setiap bahan dan keupayaan mesin menggunakan pengesyoran pengilang alat dan pemotongan ujian terkawal.

Pegangan kerja:Lekapan modular tersuai dan dimesin dengan tepat memastikan pengapit tegar dan lokasi yang boleh diulang untuk kedua-dua jenis mesin. Untuk ujian 3 paksi, bahagian yang memerlukan penggiliran disusun semula secara manual menggunakan dowel ketepatan, meniru amalan lantai kedai biasa. Percubaan 5 paksi menggunakan keupayaan putaran penuh mesin dalam satu persediaan lekapan.

2.3 Pemerolehan & Analisis Data

Masa Kitaran:Diukur terus daripada pemasa mesin.

Kekasaran Permukaan (Ra):Diukur menggunakan profilometer Mitutoyo Surftest SJ-410 di lima lokasi kritikal setiap bahagian. Tiga bahagian telah dimesin setiap gabungan bahan/mesin.

Ketepatan Geometri:Diimbas menggunakan mesin pengukur koordinat (CMM) Zeiss CONTURA G2. Dimensi kritikal dan toleransi geometri (kerataan, keserenjangan, profil) dibandingkan dengan model CAD.

Analisis Statistik:Nilai purata dan sisihan piawai dikira untuk masa kitaran dan ukuran Ra. Data CMM telah dianalisis untuk sisihan daripada dimensi nominal dan kadar pematuhan toleransi.

Jadual 1: Ringkasan Persediaan Eksperimen

3. Keputusan & Analisis
3.1 Keuntungan Kecekapan
Pemesinan 5 paksi menunjukkan penjimatan masa yang banyak. Untuk pendesak titanium, pemprosesan 5 paksi mengurangkan masa kitaran sebanyak 58% berbanding pemesinan 3 paksi (2.1 jam berbanding 5.0 jam). Bilah turbin keluli tahan karat menunjukkan pengurangan sebanyak 42% (1.8 jam berbanding 3.1 jam). Keuntungan ini terutamanya terhasil daripada menghapuskan berbilang persediaan dan masa pengendalian/penyelesaian semula manual yang berkaitan, dan membolehkan laluan alat yang lebih cekap dengan pemotongan yang lebih panjang dan berterusan disebabkan oleh orientasi alat yang dioptimumkan.

3.2 Peningkatan Kualiti Permukaan
Kekasaran permukaan (Ra) dipertingkat secara konsisten dengan pemesinan 5 paksi. Pada permukaan bilah kompleks pendesak titanium, nilai Ra purata menurun sebanyak 32% (0.8 µm berbanding 1.18 µm). Penambahbaikan yang sama dilihat pada bilah turbin keluli tahan karat (Ra dikurangkan sebanyak 35%, purata 0.65 µm berbanding 1.0 µm). Penambahbaikan ini dikaitkan dengan keupayaan untuk mengekalkan sudut sentuhan pemotongan yang berterusan dan optimum dan mengurangkan getaran alat melalui ketegaran alat yang lebih baik dalam sambungan alat yang lebih pendek.

3.3 Peningkatan Ketepatan Geometrik
Analisis CMM mengesahkan ketepatan geometri yang unggul dengan pemprosesan 5 paksi. Peratusan ciri kritikal yang dipegang dalam toleransi ±0.025mm yang ketat meningkat dengan ketara: sebanyak 30% untuk pendesak titanium (mencapai pematuhan 92% berbanding 62%) dan sebanyak 26% untuk bilah keluli tahan karat (mencapai pematuhan 89% berbanding 63%). Penambahbaikan ini berpunca secara langsung daripada penghapusan ralat kumulatif yang diperkenalkan oleh berbilang tetapan dan kedudukan semula manual yang diperlukan dalam proses 3 paksi. Ciri yang menuntut sudut kompaun menunjukkan peningkatan ketepatan yang paling dramatik.

*Rajah 1: Metrik Prestasi Perbandingan (5-Axis vs. 3-Axis)*

4. Perbincangan
Hasilnya jelas membuktikan kelebihan teknikal pemesinan 5 paksi untuk bahagian logam tersuai yang kompleks. Pengurangan ketara dalam masa kitaran diterjemahkan secara langsung kepada mengurangkan kos setiap bahagian dan meningkatkan kapasiti pengeluaran. Kemasan permukaan yang dipertingkatkan mengurangkan atau menghapuskan operasi kemasan sekunder seperti penggilap tangan, mengurangkan lagi kos dan masa pendahuluan sambil meningkatkan konsistensi bahagian. Lonjakan dalam ketepatan geometri adalah penting untuk aplikasi berprestasi tinggi seperti enjin aeroangkasa atau implan perubatan, di mana fungsi bahagian dan keselamatan adalah yang terpenting.

Kelebihan ini terutamanya timbul daripada keupayaan teras pemesinan 5 paksi: pergerakan berbilang paksi serentak yang membolehkan pemprosesan persediaan tunggal. Ini menghapuskan ralat yang disebabkan oleh persediaan dan masa pengendalian. Tambahan pula, orientasi alat optimum berterusan (mengekalkan beban cip yang ideal dan daya pemotongan) meningkatkan kemasan permukaan dan membolehkan strategi pemesinan yang lebih agresif apabila ketegaran alat membenarkan, menyumbang kepada peningkatan kelajuan.

Walau bagaimanapun, penggunaan praktikal memerlukan pengiktirafan batasan. Pelaburan modal untuk mesin 5 paksi yang berkebolehan dan perkakas yang sesuai adalah jauh lebih tinggi daripada peralatan 3 paksi. Kerumitan pengaturcaraan meningkat secara eksponen; menjana laluan alat 5 paksi yang cekap dan bebas perlanggaran memerlukan pengaturcara CAM yang berkemahiran tinggi dan perisian yang canggih. Simulasi dan pengesahan menjadi langkah wajib sebelum pemesinan. Pemasangan mesti memberikan kedua-dua ketegaran dan pelepasan yang mencukupi untuk perjalanan putaran penuh. Faktor-faktor ini meningkatkan tahap kemahiran yang diperlukan untuk pengendali dan pengaturcara.

Implikasi praktikal adalah jelas: pemesinan 5 paksi unggul untuk komponen bernilai tinggi dan kompleks di mana kelebihannya dalam kelajuan, kualiti dan keupayaan mewajarkan overhed operasi dan pelaburan yang lebih tinggi. Untuk bahagian yang lebih ringkas, pemesinan 3 paksi kekal lebih menjimatkan. Kejayaan bergantung pada pelaburan dalam kedua-dua teknologi dan kakitangan mahir, bersama-sama dengan alat CAM dan simulasi yang mantap. Kerjasama awal antara reka bentuk, kejuruteraan pembuatan dan kedai mesin adalah penting untuk memanfaatkan sepenuhnya keupayaan 5 paksi sambil mereka bentuk bahagian untuk kebolehkilangan (DFM).

5. Kesimpulan
Pemesinan CNC 5 paksi moden menyediakan penyelesaian yang terbukti unggul untuk pembuatan bahagian logam tersuai yang kompleks dan berketepatan tinggi berbanding kaedah 3 paksi tradisional. Penemuan utama mengesahkan:

Kecekapan Ketara:Pengurangan masa kitaran sebanyak 40-60% melalui pemesinan persediaan tunggal dan laluan alat yang dioptimumkan.

Kualiti Dipertingkat:Penambahbaikan kekasaran permukaan (Ra) sehingga 35% disebabkan oleh orientasi alat dan sentuhan yang optimum.

Ketepatan Unggul:Purata peningkatan 28% dalam menahan toleransi geometri kritikal dalam ±0.025mm, menghapuskan ralat daripada berbilang tetapan.
Teknologi ini membolehkan penghasilan geometri rumit (rongga dalam, potongan bawah, lengkung kompaun) yang tidak praktikal atau mustahil dengan pemesinan 3 paksi, secara langsung menangani permintaan yang berkembang dalam sektor aeroangkasa, perubatan dan tenaga.

Untuk memaksimumkan pulangan pelaburan dalam keupayaan 5 paksi, pengilang harus menumpukan pada kerumitan tinggi, bahagian bernilai tinggi di mana ketepatan dan masa pendahuluan merupakan faktor persaingan yang kritikal. Kerja masa depan harus meneroka integrasi pemesinan 5 paksi dengan metrologi dalam proses untuk kawalan kualiti masa nyata dan pemesinan gelung tertutup, meningkatkan lagi ketepatan dan mengurangkan sekerap. Penyelidikan berterusan ke dalam strategi pemesinan adaptif yang memanfaatkan fleksibiliti 5 paksi untuk bahan yang sukar dimesin seperti Inconel atau keluli yang dikeraskan juga memberikan arah yang berharga.