Výroba kovových dílů na zakázku s 5osým obráběním

Výroba kovových dílů na zakázku s 5osým obráběním

Autor:PFT, Šen-čen

Abstraktní:Pokročilá výroba vyžaduje stále složitější a vysoce přesné kovové součásti v leteckém, lékařském a energetickém průmyslu. Tato analýza hodnotí schopnosti moderního 5osého obrábění s numerickým řízením (CNC) při splňování těchto požadavků. S využitím referenčních geometrií reprezentativních pro složitá oběžná kola a lopatky turbín byly provedeny zkušební obrábění porovnávající 5osé a tradiční 3osé metody na titanu (Ti-6Al-4V) a nerezové oceli (316L) letecké třídy. Výsledky ukazují 40-60% zkrácení doby obrábění a zlepšení drsnosti povrchu (Ra) až o 35 % při 5osém obrábění, což lze připsat sníženému počtu nastavení a optimalizované orientaci nástroje. Geometrická přesnost pro prvky v toleranci ±0,025 mm se v průměru zvýšila o 28 %. I když vyžaduje značné počáteční programátorské znalosti a investice, 5osé obrábění umožňuje spolehlivou výrobu dříve neproveditelných geometrií s vynikající účinností a povrchovou úpravou. Díky těmto schopnostem je 5osá technologie nezbytná pro výrobu vysoce hodnotných a složitých zakázkových kovových dílů.

1. Úvod
Neúnavná snaha o optimalizaci výkonu napříč odvětvími, jako je letecký průmysl (požadavek na lehčí a pevnější díly), lékařství (vyžadující biokompatibilní implantáty specifické pro pacienta) a energetika (vyžadující složité komponenty pro manipulaci s tekutinami), posunula hranice složitosti kovových dílů. Tradiční tříosé CNC obrábění, omezené omezeným přístupem k nástrojům a vícenásobným požadovaným nastavením, se potýká se složitými konturami, hlubokými dutinami a prvky vyžadujícími složené úhly. Tato omezení vedou ke snížené přesnosti, prodlouženým výrobním dobám, vyšším nákladům a konstrukčním omezením. Do roku 2025 již schopnost efektivně vyrábět vysoce složité a přesné kovové díly nebude luxusem, ale konkurenční nutností. Moderní 5osé CNC obrábění, které nabízí současné řízení tří lineárních os (X, Y, Z) a dvou rotačních os (A, B nebo C), představuje transformační řešení. Tato technologie umožňuje řeznému nástroji přiblížit se k obrobku prakticky z jakéhokoli směru v rámci jediného nastavení, čímž zásadně překonává omezení přístupu, která jsou vlastní 3osému obrábění. Tento článek zkoumá specifické možnosti, kvantifikované výhody a praktické aspekty implementace 5osého obrábění pro výrobu zakázkových kovových dílů.

2. Metody
2.1 Návrh a benchmarking
Dva srovnávací díly byly navrženy pomocí CAD softwaru Siemens NX, které ztělesňují běžné výzvy v zakázkové výrobě:

Oběžné kolo:Vyznačují se složitými, zkroucenými lopatkami s vysokým poměrem stran a malými vůlemi.

Lopatka turbíny:Zahrnuje složené zakřivení, tenké stěny a přesné montážní povrchy.
Tyto konstrukce záměrně zahrnovaly podřezání, hluboké kapsy a prvky vyžadující neortogonální přístup k nástroji, konkrétně s cílem řešit omezení tříosého obrábění.

2.2 Materiály a vybavení

Materiály:Pro svou vhodnost v náročných aplikacích a odlišné obráběcí vlastnosti byly vybrány titan letecké kvality (Ti-6Al-4V, žíhaný stav) a nerezová ocel 316L.

Stroje:

5osý:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (řídicí systém Heidenhain TNC 640).

3osé:HAAS VF-4SS (řízení HAAS NGC).

Nástroje:Pro hrubování a dokončování byly použity povlakované monolitní karbidové frézy (různé průměry, s kulovým čelem a s plochým koncem) od společností Kennametal a Sandvik Coromant. Řezné parametry (rychlost, posuv, hloubka řezu) byly optimalizovány podle materiálu a možností stroje s využitím doporučení výrobců nástrojů a kontrolovaných zkušebních řezů.

Upnutí obrobku:Vlastní, přesně obrobené modulární upínací přípravky zajistily pevné upínání a opakovatelné umístění u obou typů strojů. U tříosých zkoušek byly díly vyžadující otáčení ručně přemísťovány pomocí přesných kolíků, což simulovalo typickou praxi ve výrobě. Pětiosé zkoušky využily plnou rotační kapacitu stroje v rámci jediného upínacího přípravku.

2.3 Sběr a analýza dat

Doba cyklu:Měřeno přímo z časovačů stroje.

Drsnost povrchu (Ra):Měřeno pomocí profilometru Mitutoyo Surftest SJ-410 na pěti kritických místech na díl. Z každé kombinace materiálu a stroje byly obrobeny tři díly.

Geometrická přesnost:Skenováno pomocí souřadnicového měřicího stroje (CMM) Zeiss CONTURA G2. Kritické rozměry a geometrické tolerance (rovnost, kolmost, profil) byly porovnány s CAD modely.

Statistická analýza:Pro dobu cyklu a měření Ra byly vypočteny průměrné hodnoty a směrodatné odchylky. Data souřadnicového měřicího stroje (CMM) byla analyzována z hlediska odchylek od jmenovitých rozměrů a míry dodržování tolerancí.

Tabulka 1: Souhrn experimentálního nastavení

3. Výsledky a analýza
3.1 Zvýšení efektivity
5osé obrábění prokázalo značné úspory času. U titanového oběžného kola zkrátilo 5osé obrábění dobu cyklu o 58 % ve srovnání s 3osým obráběním (2,1 hodiny oproti 5,0 hodinám). U lopatek turbíny z nerezové oceli došlo k 42% zkrácení (1,8 hodiny oproti 3,1 hodinám). Tyto zisky byly primárně výsledkem eliminace vícenásobného nastavení a souvisejícího času ruční manipulace/opětovného upínání a umožnění efektivnějších drah nástrojů s delšími, nepřetržitými řezy díky optimalizované orientaci nástroje.

3.2 Zlepšení kvality povrchu
Drsnost povrchu (Ra) se při 5osém obrábění konzistentně zlepšovala. Na složitých plochách lopatek titanového oběžného kola se průměrné hodnoty Ra snížily o 32 % (0,8 µm oproti 1,18 µm). Podobné zlepšení bylo pozorováno u lopatek turbíny z nerezové oceli (Ra se snížilo o 35 %, průměrně 0,65 µm oproti 1,0 µm). Toto zlepšení se připisuje schopnosti udržovat konstantní, optimální kontaktní úhel řezu a sníženým vibracím nástroje díky lepší tuhosti nástroje u kratších prodloužení nástroje.

3.3 Zvýšení geometrické přesnosti
Analýza pomocí souřadnicového měřicího stroje (CMM) potvrdila vynikající geometrickou přesnost při 5osém obrábění. Procento kritických prvků, které se nacházely v přísné toleranci ±0,025 mm, se výrazně zvýšilo: o 30 % u titanového oběžného kola (dosažení 92% shody oproti 62 %) a o 26 % u nerezového kotouče (dosažení 89% shody oproti 63 %). Toto zlepšení pramení přímo z eliminace kumulativních chyb způsobených vícenásobným nastavením a ručním přemisťováním, které je nutné v 3osém procesu. Prvky vyžadující složené úhly vykazovaly nejvýraznější zvýšení přesnosti.

*Obrázek 1: Srovnávací metriky výkonu (5osé vs. 3osé)*

4. Diskuse
Výsledky jasně prokazují technické výhody 5osého obrábění složitých kovových dílů na zakázku. Významné zkrácení doby cyklu se přímo promítá do nižších nákladů na díl a zvýšení výrobní kapacity. Vylepšená povrchová úprava snižuje nebo eliminuje sekundární dokončovací operace, jako je ruční leštění, což dále snižuje náklady a dodací lhůty a zároveň zvyšuje konzistenci dílů. Skok v geometrické přesnosti je zásadní pro vysoce výkonné aplikace, jako jsou letecké motory nebo lékařské implantáty, kde je funkčnost a bezpečnost dílů prvořadá.

Tyto výhody vyplývají především ze základní schopnosti 5osého obrábění: simultánní pohyb ve více osách, který umožňuje zpracování s jedním nastavením. Tím se eliminují chyby způsobené nastavením a doba manipulace. Navíc kontinuální optimální orientace nástroje (udržování ideálního zatížení třískou a řezných sil) zlepšuje kvalitu povrchu a umožňuje agresivnější strategie obrábění tam, kde to dovoluje tuhost nástroje, což přispívá ke zvýšení rychlosti.

Praktické zavedení však vyžaduje uznání omezení. Kapitálové investice do schopného 5osého stroje a vhodného nástrojového vybavení jsou podstatně vyšší než u 3osého zařízení. Složitost programování roste exponenciálně; generování efektivních, bezkolizních 5osých drah nástroje vyžaduje vysoce kvalifikované CAM programátory a sofistikovaný software. Simulace a ověření se stávají povinnými kroky před obráběním. Upínací přípravek musí poskytovat jak tuhost, tak dostatečnou vůli pro plný rotační pohyb. Tyto faktory zvyšují úroveň dovedností potřebnou pro operátory a programátory.

Praktický důsledek je jasný: 5osé obrábění vyniká pro vysoce hodnotné a složité součásti, kde jeho výhody v rychlosti, kvalitě a možnostech ospravedlňují vyšší provozní náklady a investice. U jednodušších dílů zůstává 3osé obrábění ekonomičtější. Úspěch závisí na investicích do technologií i kvalifikovaného personálu, spolu s robustními CAM a simulačními nástroji. Včasná spolupráce mezi konstrukcí, výrobním inženýrstvím a obráběcí dílnou je klíčová pro plné využití 5osých možností při navrhování dílů pro vyrobitelnost (DFM).

5. Závěr
Moderní 5osé CNC obrábění poskytuje prokazatelně lepší řešení pro výrobu složitých, vysoce přesných zakázkových kovových dílů ve srovnání s tradičními 3osými metodami. Klíčová zjištění potvrzují:

Významná účinnost:Zkrácení doby cyklu o 40–60 % díky obrábění na jednom upnutí a optimalizovaným drahám nástrojů.

Zvýšená kvalita:Zlepšení drsnosti povrchu (Ra) až o 35 % díky optimální orientaci nástroje a kontaktu.

Vynikající přesnost:Průměrné 28% zvýšení udržení kritických geometrických tolerancí v rozmezí ±0,025 mm, čímž se eliminují chyby z vícenásobného nastavení.
Tato technologie umožňuje výrobu složitých geometrií (hluboké dutiny, podřezy, složené křivky), které jsou při tříosém obrábění nepraktické nebo nemožné, a přímo tak řeší vyvíjející se požadavky leteckého, lékařského a energetického průmyslu.

Aby se maximalizovala návratnost investic do 5osého obrábění, měli by se výrobci zaměřit na vysoce složité a hodnotné díly, u kterých jsou přesnost a dodací lhůty klíčovými konkurenčními faktory. Budoucí výzkum by měl prozkoumat integraci 5osého obrábění s průběžnou metrologií pro kontrolu kvality v reálném čase a obrábění v uzavřené smyčce, což by dále zvýšilo přesnost a snížilo zmetkovitost. Cenným směrem se stává i pokračující výzkum adaptivních obráběcích strategií využívajících flexibilitu 5osého obrábění pro obtížně obrobitelné materiály, jako je Inconel nebo kalené oceli.