५-अ‍ॅक्सिस मशीनिंगसह कस्टम मेटल पार्ट्स मॅन्युफॅक्चरिंग

५-अ‍ॅक्सिस मशीनिंगसह कस्टम मेटल पार्ट्स मॅन्युफॅक्चरिंग

लेखक:पीएफटी, शेन्झेन

सारांश:प्रगत उत्पादनासाठी एरोस्पेस, वैद्यकीय आणि ऊर्जा क्षेत्रांमध्ये वाढत्या प्रमाणात जटिल, उच्च-परिशुद्धता असलेल्या धातू घटकांची आवश्यकता असते. हे विश्लेषण आधुनिक 5-अक्ष संगणक संख्यात्मक नियंत्रण (CNC) मशीनिंगच्या या आवश्यकता पूर्ण करण्याच्या क्षमतेचे मूल्यांकन करते. जटिल इंपेलर्स आणि टर्बाइन ब्लेडचे प्रतिनिधीत्व करणारे बेंचमार्क भूमिती वापरून, एरोस्पेस-ग्रेड टायटॅनियम (Ti-6Al-4V) आणि स्टेनलेस स्टील (316L) वरील पारंपारिक 3-अक्ष पद्धतींपेक्षा 5-अक्षांची तुलना करून मशीनिंग चाचण्या घेण्यात आल्या. कमी केलेल्या सेटअप आणि ऑप्टिमाइझ केलेल्या टूल ओरिएंटेशनमुळे 5-अक्ष प्रक्रियेसह मशीनिंग वेळेत 40-60% घट आणि पृष्ठभागाच्या खडबडीतपणा (Ra) मध्ये 35% पर्यंत सुधारणा दिसून येते. ±0.025 मिमी सहिष्णुतेमधील वैशिष्ट्यांसाठी भौमितिक अचूकता सरासरी 28% ने वाढली. लक्षणीय आगाऊ प्रोग्रामिंग कौशल्य आणि गुंतवणूक आवश्यक असताना, 5-अक्ष मशीनिंग उत्कृष्ट कार्यक्षमता आणि फिनिशसह पूर्वी अशक्य भूमितींचे विश्वसनीय उत्पादन सक्षम करते. या क्षमता उच्च-मूल्य, जटिल कस्टम मेटल पार्ट फॅब्रिकेशनसाठी 5-अक्ष तंत्रज्ञानाला आवश्यक म्हणून स्थान देतात.

१. परिचय
एरोस्पेस (हलके, मजबूत भागांची मागणी), वैद्यकीय (जैव-अनुकूल, रुग्ण-विशिष्ट इम्प्लांट्सची आवश्यकता) आणि ऊर्जा (जटिल द्रव-हँडलिंग घटकांची आवश्यकता) यासारख्या उद्योगांमध्ये कामगिरी ऑप्टिमायझेशनसाठी अथक प्रयत्नांमुळे धातूच्या भागांच्या जटिलतेच्या सीमा ओलांडल्या आहेत. मर्यादित साधन प्रवेश आणि अनेक आवश्यक सेटअपमुळे मर्यादित असलेल्या पारंपारिक 3-अक्षीय CNC मशीनिंगमुळे गुंतागुंतीचे आकृतिबंध, खोल पोकळी आणि कंपाऊंड कोन आवश्यक असलेल्या वैशिष्ट्यांशी संघर्ष करावा लागतो. या मर्यादांमुळे अचूकता कमी होते, उत्पादन वेळ वाढतो, जास्त खर्च येतो आणि डिझाइन निर्बंध येतात. 2025 पर्यंत, अत्यंत जटिल, अचूक धातूचे भाग कार्यक्षमतेने तयार करण्याची क्षमता आता लक्झरी नसून स्पर्धात्मक गरज आहे. आधुनिक 5-अक्षीय CNC मशीनिंग, तीन रेषीय अक्ष (X, Y, Z) आणि दोन रोटेशनल अक्ष (A, B किंवा C) यांचे एकाच वेळी नियंत्रण प्रदान करते, एक परिवर्तनकारी उपाय सादर करते. हे तंत्रज्ञान कटिंग टूलला एकाच सेटअपमध्ये जवळजवळ कोणत्याही दिशेने वर्कपीसकडे जाण्याची परवानगी देते, मूलभूतपणे 3-अक्षीय मशीनिंगमध्ये अंतर्निहित प्रवेश मर्यादांवर मात करते. हा लेख कस्टम मेटल पार्ट उत्पादनासाठी ५-अक्ष मशीनिंगच्या विशिष्ट क्षमता, परिमाणात्मक फायदे आणि व्यावहारिक अंमलबजावणी विचारांचे परीक्षण करतो.

२. पद्धती
२.१ डिझाइन आणि बेंचमार्किंग
सीमेन्स एनएक्स सीएडी सॉफ्टवेअर वापरून दोन बेंचमार्क भाग डिझाइन करण्यात आले होते, जे कस्टम मॅन्युफॅक्चरिंगमधील सामान्य आव्हानांना मूर्त रूप देतात:

इंपेलर:उच्च आस्पेक्ट रेशो आणि घट्ट क्लिअरन्ससह जटिल, वळलेले ब्लेड असलेले.

टर्बाइन ब्लेड:कंपाऊंड वक्रता, पातळ भिंती आणि अचूक माउंटिंग पृष्ठभाग समाविष्ट करणे.
या डिझाइन्समध्ये जाणूनबुजून अंडरकट्स, खोल खिसे आणि नॉन-ऑर्थोगोनल टूल अॅक्सेसची आवश्यकता असलेली वैशिष्ट्ये समाविष्ट केली गेली, विशेषतः 3-अक्ष मशीनिंगच्या मर्यादांना लक्ष्य करून.

२.२ साहित्य आणि उपकरणे

साहित्य:एरोस्पेस-ग्रेड टायटॅनियम (Ti-6Al-4V, एनील्ड स्थिती) आणि 316L स्टेनलेस स्टीलची निवड त्यांच्या मागणीच्या अनुप्रयोगांमध्ये आणि विशिष्ट मशीनिंग वैशिष्ट्यांमध्ये प्रासंगिकतेसाठी करण्यात आली.

मशीन्स:

५-अक्ष:डीएमजी मोरी डीएमयू ६५ मोनोब्लॉक (हेडेनहेन टीएनसी ६४० नियंत्रण).

३-अक्ष:HAAS VF-4SS (HAAS NGC नियंत्रण).

साधने:केन्नामेटल आणि सँडविक कोरोमंटच्या लेपित सॉलिड कार्बाइड एंड मिल्स (विविध व्यास, बॉल-नोज आणि फ्लॅट-एंड) रफिंग आणि फिनिशिंगसाठी वापरल्या गेल्या. कटिंग पॅरामीटर्स (वेग, फीड, कटची खोली) टूल उत्पादकांच्या शिफारशी आणि नियंत्रित चाचणी कट वापरून मटेरियल आणि मशीन क्षमतेनुसार ऑप्टिमाइझ केले गेले.

काम:कस्टम, अचूकपणे मशीन केलेल्या मॉड्यूलर फिक्स्चरने दोन्ही प्रकारच्या मशीनसाठी कठोर क्लॅम्पिंग आणि पुनरावृत्ती करण्यायोग्य स्थान सुनिश्चित केले. 3-अक्ष चाचण्यांसाठी, रोटेशन आवश्यक असलेले भाग अचूक डोव्हल्स वापरून मॅन्युअली पुनर्स्थित केले गेले, जे सामान्य दुकानाच्या मजल्यावरील सरावाचे अनुकरण करतात. 5-अक्ष चाचण्यांमध्ये एकाच फिक्स्चर सेटअपमध्ये मशीनची पूर्ण रोटेशनल क्षमता वापरली गेली.

२.३ डेटा संपादन आणि विश्लेषण

सायकल वेळ:मशीन टाइमरवरून थेट मोजले.

पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा (Ra):प्रत्येक भागाच्या पाच महत्त्वाच्या ठिकाणी मिटुटोयो सर्फटेस्ट एसजे-४१० प्रोफाइलमीटर वापरून मोजमाप केले गेले. प्रत्येक मटेरियल/मशीन संयोजनानुसार तीन भाग मशीन केले गेले.

भौमितिक अचूकता:Zeiss CONTURA G2 कोऑर्डिनेट मेजरिंग मशीन (CMM) वापरून स्कॅन केले. CAD मॉडेल्सशी गंभीर परिमाणे आणि भौमितिक सहनशीलता (सपाटपणा, लंब, प्रोफाइल) यांची तुलना करण्यात आली.

सांख्यिकीय विश्लेषण:सायकल वेळ आणि Ra मोजमापांसाठी सरासरी मूल्ये आणि मानक विचलनांची गणना केली गेली. नाममात्र परिमाणांपासून विचलन आणि सहिष्णुता अनुपालन दरांसाठी CMM डेटाचे विश्लेषण केले गेले.

तक्ता १: प्रायोगिक सेटअप सारांश

३. निकाल आणि विश्लेषण
३.१ कार्यक्षमता वाढ
५-अक्षीय मशीनिंगमुळे वेळेची लक्षणीय बचत झाली. टायटॅनियम इम्पेलरसाठी, ५-अक्षीय प्रक्रियेमुळे ३-अक्षीय मशीनिंगच्या तुलनेत सायकल वेळ ५८% कमी झाला (२.१ तास विरुद्ध ५.० तास). स्टेनलेस स्टील टर्बाइन ब्लेडने ४२% घट दर्शविली (१.८ तास विरुद्ध ३.१ तास). हे फायदे प्रामुख्याने अनेक सेटअप आणि संबंधित मॅन्युअल हँडलिंग/री-फिक्स्चरिंग वेळ काढून टाकल्यामुळे आणि ऑप्टिमाइझ केलेल्या टूल ओरिएंटेशनमुळे दीर्घ, सतत कटसह अधिक कार्यक्षम टूलपाथ सक्षम केल्याने झाले.

३.२ पृष्ठभागाची गुणवत्ता सुधारणा
५-अक्षीय मशीनिंगमुळे पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा (Ra) सातत्याने सुधारला. टायटॅनियम इम्पेलरच्या जटिल ब्लेड पृष्ठभागांवर, सरासरी Ra मूल्ये ३२% ने कमी झाली (०.८ µm विरुद्ध १.१८ µm). स्टेनलेस स्टील टर्बाइन ब्लेडवरही अशाच सुधारणा दिसून आल्या (Ra ३५% ने कमी झाला, सरासरी ०.६५ µm विरुद्ध १.० µm). ही सुधारणा कमी टूल एक्सटेन्शनमध्ये चांगल्या टूल कडकपणाद्वारे स्थिर, इष्टतम कटिंग कॉन्टॅक्ट अँगल आणि कमी टूल कंपन राखण्याच्या क्षमतेमुळे होते.

३.३ भौमितिक अचूकता वाढ
CMM विश्लेषणाने 5-अक्ष प्रक्रियेसह उत्कृष्ट भौमितिक अचूकतेची पुष्टी केली. कडक ±0.025 मिमी सहिष्णुतेमध्ये असलेल्या महत्त्वपूर्ण वैशिष्ट्यांची टक्केवारी लक्षणीयरीत्या वाढली: टायटॅनियम इम्पेलरसाठी 30% ने (92% अनुपालन विरुद्ध 62%) आणि स्टेनलेस स्टील ब्लेडसाठी 26% ने (89% अनुपालन विरुद्ध 63%). ही सुधारणा थेट 3-अक्ष प्रक्रियेत आवश्यक असलेल्या अनेक सेटअप आणि मॅन्युअल रिपोझिशनिंगद्वारे सादर केलेल्या संचयी त्रुटी दूर करण्यापासून उद्भवते. कंपाऊंड कोनांची मागणी करणाऱ्या वैशिष्ट्यांनी सर्वात नाट्यमय अचूकता वाढ दर्शविली.

*आकृती १: तुलनात्मक कामगिरी मेट्रिक्स (५-अक्ष विरुद्ध ३-अक्ष)*

४. चर्चा
या निकालांवरून जटिल कस्टम मेटल पार्ट्ससाठी ५-अक्ष मशीनिंगचे तांत्रिक फायदे स्पष्टपणे दिसून येतात. सायकल वेळेत लक्षणीय घट झाल्यामुळे प्रति-पार्ट खर्च कमी होतो आणि उत्पादन क्षमता वाढते. सुधारित पृष्ठभागाच्या फिनिशमुळे हाताने पॉलिशिंगसारखे दुय्यम फिनिशिंग ऑपरेशन्स कमी होतात किंवा काढून टाकले जातात, ज्यामुळे खर्च आणि लीड टाइम आणखी कमी होतो आणि त्याचबरोबर पार्टची सुसंगतता वाढते. एरोस्पेस इंजिन किंवा मेडिकल इम्प्लांट्ससारख्या उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या अनुप्रयोगांसाठी भौमितिक अचूकतेतील झेप महत्त्वाची आहे, जिथे पार्टचे कार्य आणि सुरक्षितता सर्वोपरि आहे.

हे फायदे प्रामुख्याने ५-अक्षीय मशीनिंगच्या मुख्य क्षमतेमुळे उद्भवतात: एकाच वेळी बहु-अक्षीय हालचाल ज्यामुळे सिंगल-सेटअप प्रक्रिया शक्य होते. हे सेटअप-प्रेरित त्रुटी आणि हाताळणी वेळ दूर करते. शिवाय, सतत इष्टतम टूल ओरिएंटेशन (आदर्श चिप लोड आणि कटिंग फोर्स राखणे) पृष्ठभागाची फिनिश वाढवते आणि जिथे टूल कडकपणा परवानगी देतो तिथे अधिक आक्रमक मशीनिंग धोरणांना अनुमती देते, ज्यामुळे वेग वाढण्यास हातभार लागतो.

तथापि, व्यावहारिक अवलंबनासाठी मर्यादा मान्य करणे आवश्यक आहे. सक्षम ५-अक्षीय मशीन आणि योग्य टूलिंगसाठी भांडवली गुंतवणूक ३-अक्षीय उपकरणांपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहे. प्रोग्रामिंगची जटिलता वेगाने वाढते; कार्यक्षम, टक्कर-मुक्त ५-अक्षीय टूलपाथ तयार करण्यासाठी अत्यंत कुशल CAM प्रोग्रामर आणि अत्याधुनिक सॉफ्टवेअरची आवश्यकता असते. मशीनिंग करण्यापूर्वी सिम्युलेशन आणि पडताळणी अनिवार्य पावले बनतात. फिक्स्चरिंगने कडकपणा आणि पूर्ण रोटेशनल प्रवासासाठी पुरेशी क्लिअरन्स दोन्ही प्रदान केले पाहिजेत. हे घटक ऑपरेटर आणि प्रोग्रामरसाठी आवश्यक कौशल्य पातळी वाढवतात.

व्यावहारिक अर्थ स्पष्ट आहे: ५-अक्षीय मशीनिंग उच्च-मूल्य असलेल्या, गुंतागुंतीच्या घटकांसाठी उत्कृष्ट आहे जिथे वेग, गुणवत्ता आणि क्षमतेतील त्याचे फायदे उच्च ऑपरेशनल ओव्हरहेड आणि गुंतवणूकीचे समर्थन करतात. सोप्या भागांसाठी, ३-अक्षीय मशीनिंग अधिक किफायतशीर राहते. यश तंत्रज्ञान आणि कुशल कर्मचाऱ्यांमध्ये गुंतवणूक करण्यावर अवलंबून आहे, तसेच मजबूत CAM आणि सिम्युलेशन टूल्स देखील आहेत. उत्पादनक्षमतेसाठी (DFM) भाग डिझाइन करताना ५-अक्षीय क्षमतांचा पूर्णपणे फायदा घेण्यासाठी डिझाइन, उत्पादन अभियांत्रिकी आणि मशीन शॉपमधील लवकर सहकार्य अत्यंत महत्त्वाचे आहे.

५. निष्कर्ष
पारंपारिक ३-अक्ष पद्धतींच्या तुलनेत आधुनिक ५-अक्षीय सीएनसी मशीनिंग जटिल, उच्च-परिशुद्धता असलेल्या कस्टम धातूच्या भागांच्या निर्मितीसाठी एक उत्कृष्ट उपाय प्रदान करते. प्रमुख निष्कर्ष पुष्टी करतात:

लक्षणीय कार्यक्षमता:सिंगल-सेटअप मशीनिंग आणि ऑप्टिमाइझ केलेल्या टूलपाथद्वारे सायकल वेळेत ४०-६०% कपात.

वाढलेली गुणवत्ता:इष्टतम साधन अभिमुखता आणि संपर्कामुळे पृष्ठभागाच्या खडबडीतपणा (Ra) मध्ये 35% पर्यंत सुधारणा.

उत्कृष्ट अचूकता:±०.०२५ मिमीच्या आत गंभीर भौमितिक सहनशीलता धारण करण्यात सरासरी २८% वाढ, ज्यामुळे अनेक सेटअपमधील त्रुटी दूर होतात.
या तंत्रज्ञानामुळे ३-अक्षीय मशीनिंगसह अव्यवहार्य किंवा अशक्य असलेल्या गुंतागुंतीच्या भूमिती (खोल पोकळी, अंडरकट, कंपाऊंड वक्र) तयार करणे शक्य होते, ज्यामुळे अवकाश, वैद्यकीय आणि ऊर्जा क्षेत्रांच्या विकसित होत असलेल्या मागण्या थेट पूर्ण होतात.

५-अक्ष क्षमतेमध्ये गुंतवणुकीवर जास्तीत जास्त परतावा मिळवण्यासाठी, उत्पादकांनी उच्च-जटिलता, उच्च-मूल्य असलेल्या भागांवर लक्ष केंद्रित केले पाहिजे जिथे अचूकता आणि लीड टाइम हे महत्त्वाचे स्पर्धात्मक घटक आहेत. भविष्यातील कामात रिअल-टाइम गुणवत्ता नियंत्रण आणि क्लोज्ड-लूप मशीनिंगसाठी इन-प्रोसेस मेट्रोलॉजीसह ५-अक्ष मशीनिंगचे एकत्रीकरण शोधले पाहिजे, ज्यामुळे अचूकता आणखी वाढेल आणि स्क्रॅप कमी होईल. इनकोनेल किंवा कडक स्टील्स सारख्या कठीण-टू-मशीन सामग्रीसाठी ५-अक्ष लवचिकतेचा फायदा घेणाऱ्या अनुकूली मशीनिंग धोरणांमध्ये सतत संशोधन करणे देखील एक मौल्यवान दिशा प्रदान करते.