การผลิตชิ้นส่วนโลหะที่กำหนดเองด้วยเครื่องจักร 5 แกน

การผลิตชิ้นส่วนโลหะที่กำหนดเองด้วยเครื่องจักร 5 แกน

ผู้เขียน:พีเอฟที เซินเจิ้น

เชิงนามธรรม:การผลิตขั้นสูงต้องการชิ้นส่วนโลหะที่ซับซ้อนและมีความแม่นยำสูงมากขึ้นในภาคการบินและอวกาศ การแพทย์ และพลังงาน การวิเคราะห์นี้ประเมินความสามารถของการตัดเฉือนด้วยคอมพิวเตอร์ควบคุมเชิงตัวเลข (CNC) แบบ 5 แกนสมัยใหม่ในการตอบสนองความต้องการเหล่านี้ การทดลองตัดเฉือนได้ดำเนินการโดยใช้รูปทรงเรขาคณิตมาตรฐานที่แสดงถึงใบพัดและใบพัดกังหันที่ซับซ้อน โดยเปรียบเทียบวิธีการตัดเฉือนแบบ 5 แกนกับแบบ 3 แกนแบบดั้งเดิมบนไทเทเนียมเกรดอากาศยาน (Ti-6Al-4V) และสแตนเลส (316L) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเวลาในการตัดเฉือนลดลง 40-60% และค่าความหยาบผิว (Ra) ดีขึ้นถึง 35% ด้วยการประมวลผลแบบ 5 แกน ซึ่งเป็นผลมาจากการตั้งค่าที่ลดลงและการวางแนวเครื่องมือที่เหมาะสม ความแม่นยำทางเรขาคณิตสำหรับชิ้นงานที่ความคลาดเคลื่อน ±0.025 มม. เพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ย 28% แม้ว่าจะต้องใช้ความเชี่ยวชาญด้านการเขียนโปรแกรมและการลงทุนล่วงหน้าจำนวนมาก แต่การตัดเฉือนแบบ 5 แกนยังช่วยให้สามารถผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ไม่เคยทำได้มาก่อนได้อย่างน่าเชื่อถือ พร้อมประสิทธิภาพและผิวสำเร็จที่เหนือกว่า ความสามารถเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยี 5 แกนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโลหะตามสั่งที่มีมูลค่าสูงและซับซ้อน

1. บทนำ
แรงผลักดันอย่างไม่หยุดยั้งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานในทุกอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ (ซึ่งต้องการชิ้นส่วนที่เบากว่าและแข็งแรงกว่า) อุตสาหกรรมการแพทย์ (ซึ่งต้องการชิ้นส่วนฝังในร่างกายที่เข้ากันได้ทางชีวภาพและเฉพาะบุคคล) และอุตสาหกรรมพลังงาน (ซึ่งต้องการชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนในการจัดการของเหลว) ได้ก้าวข้ามขีดจำกัดความซับซ้อนของชิ้นส่วนโลหะ เครื่องจักรกลซีเอ็นซีแบบ 3 แกนแบบดั้งเดิม ซึ่งถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดในการเข้าถึงเครื่องมือและการตั้งค่าที่จำเป็นหลายอย่าง ต้องเผชิญกับปัญหารูปทรงที่ซับซ้อน โพรงลึก และลักษณะเฉพาะที่ต้องใช้มุมประกอบ ข้อจำกัดเหล่านี้ส่งผลให้ความแม่นยำลดลง ระยะเวลาการผลิตที่ยาวนานขึ้น ต้นทุนที่สูงขึ้น และข้อจำกัดด้านการออกแบบ ภายในปี พ.ศ. 2568 ความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนโลหะที่ซับซ้อนและมีความแม่นยำสูงอย่างมีประสิทธิภาพจะไม่ใช่สิ่งฟุ่มเฟือยอีกต่อไป แต่เป็นสิ่งจำเป็นในการแข่งขัน เครื่องจักรกลซีเอ็นซีแบบ 5 แกนที่ทันสมัย ซึ่งสามารถควบคุมแกนเชิงเส้นสามแกน (X, Y, Z) และแกนหมุนสองแกน (A, B หรือ C) ได้พร้อมกัน ถือเป็นโซลูชันที่พลิกโฉมอุตสาหกรรม เทคโนโลยีนี้ช่วยให้เครื่องมือตัดสามารถเข้าถึงชิ้นงานได้จากแทบทุกทิศทางในการตั้งค่าเดียว ช่วยขจัดข้อจำกัดในการเข้าถึงชิ้นงานที่มักพบในการตัดเฉือนแบบ 3 แกน บทความนี้จะพิจารณาความสามารถเฉพาะ ข้อได้เปรียบเชิงปริมาณ และข้อควรพิจารณาในการนำไปใช้จริงของการตัดเฉือนแบบ 5 แกนสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโลหะตามสั่ง

2. วิธีการ
2.1 การออกแบบและการเปรียบเทียบประสิทธิภาพ
ชิ้นส่วนมาตรฐานสองชิ้นได้รับการออกแบบโดยใช้ซอฟต์แวร์ Siemens NX CAD ซึ่งรวบรวมความท้าทายทั่วไปในการผลิตแบบกำหนดเอง:

ใบพัด:มีลักษณะเด่นคือใบมีดบิดเบี้ยวซับซ้อน มีอัตราส่วนภาพสูงและระยะห่างที่แคบ

ใบพัดกังหัน:ผสมผสานความโค้งแบบผสม ผนังบาง และพื้นผิวการติดตั้งที่แม่นยำ
การออกแบบเหล่านี้มีการรวมส่วนตัดด้านล่าง ช่องลึก และคุณลักษณะต่างๆ ที่ต้องการการเข้าถึงเครื่องมือแบบไม่ตั้งฉากโดยเฉพาะ เพื่อแก้ไขข้อจำกัดของการตัดเฉือน 3 แกน

2.2 วัสดุและอุปกรณ์

วัสดุ:ไททาเนียมเกรดอวกาศ (Ti-6Al-4V สภาพอบอ่อน) และสแตนเลส 316L ได้รับการเลือกใช้เนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงและคุณลักษณะการตัดเฉือนที่โดดเด่น

เครื่องจักร:

5 แกน:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (ชุดควบคุม Heidenhain TNC 640)

3 แกน:HAAS VF-4SS (การควบคุม HAAS NGC)

เครื่องมือ:ใช้ดอกกัดคาร์ไบด์แข็งเคลือบ (ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆ หัวบอล และปลายแบน) จาก Kennametal และ Sandvik Coromant สำหรับการกัดหยาบและการตกแต่งผิวสำเร็จ พารามิเตอร์การตัด (ความเร็ว อัตราป้อน ความลึกของการตัด) ได้รับการปรับให้เหมาะสมตามวัสดุและความสามารถของเครื่องจักร โดยใช้คำแนะนำจากผู้ผลิตเครื่องมือและการทดสอบการตัดแบบควบคุม

การยึดงาน:อุปกรณ์ยึดแบบโมดูลาร์ที่ออกแบบเฉพาะและผ่านการกลึงอย่างแม่นยำ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการจับยึดที่แข็งแรงและตำแหน่งที่ทำซ้ำได้สำหรับเครื่องจักรทั้งสองประเภท สำหรับการทดลองแบบ 3 แกน ชิ้นส่วนที่ต้องหมุนจะถูกปรับตำแหน่งใหม่ด้วยมือโดยใช้เดือยที่มีความแม่นยำ ซึ่งจำลองการปฏิบัติงานในโรงงานทั่วไป การทดลองแบบ 5 แกนใช้ประโยชน์จากความสามารถในการหมุนทั้งหมดของเครื่องจักรภายในการติดตั้งอุปกรณ์ยึดเพียงชุดเดียว

2.3 การรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูล

เวลาในการทำงาน:วัดโดยตรงจากตัวจับเวลาเครื่องจักร

ความหยาบของพื้นผิว (Ra):วัดโดยใช้เครื่องวัดโปรไฟล์ Mitutoyo Surftest SJ-410 ในห้าตำแหน่งสำคัญต่อชิ้นงาน ชิ้นส่วนสามชิ้นถูกกลึงตามวัสดุและเครื่องจักรที่ประกอบกัน

ความแม่นยำทางเรขาคณิต:สแกนโดยใช้เครื่องวัดพิกัด Zeiss CONTURA G2 (CMM) เปรียบเทียบขนาดวิกฤตและความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิต (ความเรียบ ความตั้งฉาก โปรไฟล์) กับแบบจำลอง CAD

การวิเคราะห์ทางสถิติ:ค่าเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานถูกคำนวณสำหรับเวลารอบการทำงานและการวัดค่า Ra ข้อมูล CMM ถูกวิเคราะห์เพื่อหาค่าเบี่ยงเบนจากขนาดที่กำหนดและอัตราการปฏิบัติตามค่าความคลาดเคลื่อน

ตารางที่ 1: สรุปการตั้งค่าการทดลอง

3. ผลลัพธ์และการวิเคราะห์
3.1 การเพิ่มประสิทธิภาพ
การตัดเฉือนแบบ 5 แกนแสดงให้เห็นถึงการประหยัดเวลาได้อย่างมาก สำหรับใบพัดไทเทเนียม การประมวลผลแบบ 5 แกนช่วยลดเวลาการทำงานลง 58% เมื่อเทียบกับการตัดเฉือนแบบ 3 แกน (2.1 ชั่วโมง เทียบกับ 5.0 ชั่วโมง) ใบพัดเทอร์ไบน์สแตนเลสแสดงการลดลง 42% (1.8 ชั่วโมง เทียบกับ 3.1 ชั่วโมง) ข้อได้เปรียบเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการลดการตั้งค่าหลายขั้นตอนและเวลาในการจัดการ/ติดตั้งใหม่ด้วยตนเองที่เกี่ยวข้อง และทำให้เส้นทางการตัดมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยการตัดที่ยาวขึ้นและต่อเนื่องเนื่องจากการวางแนวเครื่องมือที่เหมาะสมที่สุด

3.2 การปรับปรุงคุณภาพพื้นผิว
ความหยาบผิว (Ra) ดีขึ้นอย่างต่อเนื่องด้วยการตัดเฉือนแบบ 5 แกน บนพื้นผิวใบมีดที่ซับซ้อนของใบพัดไทเทเนียม ค่า Ra เฉลี่ยลดลง 32% (0.8 µm เทียบกับ 1.18 µm) การปรับปรุงที่คล้ายคลึงกันนี้พบได้ในใบพัดเทอร์ไบน์สแตนเลส (Ra ลดลง 35% โดยเฉลี่ย 0.65 µm เทียบกับ 1.0 µm) การปรับปรุงนี้เป็นผลมาจากความสามารถในการรักษามุมสัมผัสการตัดที่เหมาะสมและคงที่ และลดการสั่นสะเทือนของเครื่องมือผ่านความแข็งแกร่งของเครื่องมือที่ดีขึ้นในส่วนขยายเครื่องมือที่สั้นลง

3.3 การปรับปรุงความแม่นยำทางเรขาคณิต
การวิเคราะห์ด้วย CMM ยืนยันความแม่นยำทางเรขาคณิตที่เหนือกว่าด้วยการประมวลผลแบบ 5 แกน เปอร์เซ็นต์ของคุณสมบัติสำคัญที่อยู่ภายในค่าความคลาดเคลื่อน ±0.025 มม. ที่เข้มงวดเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยเพิ่มขึ้น 30% สำหรับใบพัดไทเทเนียม (บรรลุความสอดคล้อง 92% เทียบกับ 62%) และเพิ่มขึ้น 26% สำหรับใบพัดสแตนเลส (บรรลุความสอดคล้อง 89% เทียบกับ 63%) การปรับปรุงนี้เกิดขึ้นโดยตรงจากการขจัดข้อผิดพลาดสะสมที่เกิดจากการตั้งค่าหลายครั้งและการเปลี่ยนตำแหน่งด้วยตนเองที่จำเป็นในกระบวนการ 3 แกน คุณสมบัติที่ต้องการมุมประกอบแสดงให้เห็นถึงความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก

*รูปที่ 1: เมตริกประสิทธิภาพการเปรียบเทียบ (5 แกน เทียบกับ 3 แกน)*

4. การอภิปราย
ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบทางเทคนิคของการตัดเฉือน 5 แกนสำหรับชิ้นส่วนโลหะสั่งทำที่ซับซ้อนอย่างชัดเจน การลดเวลาการทำงานลงอย่างมากส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนต่อชิ้นส่วนที่ลดลงและกำลังการผลิตที่เพิ่มขึ้น ผิวสำเร็จที่ดีขึ้นช่วยลดหรือขจัดขั้นตอนการตกแต่งขั้นที่สอง เช่น การขัดด้วยมือ ซึ่งช่วยลดต้นทุนและเวลาในการผลิตลงอีก พร้อมทั้งเพิ่มความสม่ำเสมอของชิ้นส่วน ความแม่นยำทางเรขาคณิตที่ก้าวกระโดดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น เครื่องยนต์อากาศยานหรืออุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์ ซึ่งให้ความสำคัญกับการใช้งานและความปลอดภัยของชิ้นส่วนเป็นอันดับแรก

ข้อได้เปรียบเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากความสามารถหลักของการตัดเฉือนแบบ 5 แกน นั่นคือ การเคลื่อนที่หลายแกนพร้อมกัน ช่วยให้สามารถประมวลผลได้ในการตั้งค่าเพียงครั้งเดียว ช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการตั้งค่าและลดระยะเวลาในการจัดการ นอกจากนี้ การวางแนวเครื่องมือที่เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง (รักษาระดับแรงตัดและแรงเฉือนที่เหมาะสม) ยังช่วยเพิ่มความเรียบเนียนของผิวงาน และช่วยให้สามารถใช้กลยุทธ์การตัดเฉือนที่เข้มข้นยิ่งขึ้นในกรณีที่เครื่องมือมีความแข็งแรงเพียงพอ ซึ่งส่งผลให้ได้ความเร็วที่เพิ่มขึ้น

อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้จริงจำเป็นต้องคำนึงถึงข้อจำกัด การลงทุนสำหรับเครื่องจักร 5 แกนที่มีประสิทธิภาพและเครื่องมือที่เหมาะสมนั้นสูงกว่าเครื่องจักร 3 แกนอย่างมาก ความซับซ้อนในการเขียนโปรแกรมเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ การสร้างเส้นทางเครื่องมือ 5 แกนที่มีประสิทธิภาพและปราศจากการชนกันนั้นต้องการโปรแกรมเมอร์ CAM ที่มีทักษะสูงและซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อน การจำลองและการตรวจสอบความถูกต้องกลายเป็นขั้นตอนที่จำเป็นก่อนการตัดเฉือน อุปกรณ์จับยึดต้องมีทั้งความแข็งแรงและระยะห่างที่เพียงพอสำหรับการเคลื่อนที่แบบหมุนเต็มรูปแบบ ปัจจัยเหล่านี้ช่วยยกระดับทักษะที่จำเป็นสำหรับผู้ปฏิบัติงานและโปรแกรมเมอร์

ผลกระทบเชิงปฏิบัตินั้นชัดเจน: การตัดเฉือนแบบ 5 แกนนั้นยอดเยี่ยมสำหรับชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูงและมีความซับซ้อน ซึ่งข้อได้เปรียบในด้านความเร็ว คุณภาพ และความสามารถนั้นคุ้มค่ากับต้นทุนการดำเนินงานและการลงทุนที่สูงขึ้น สำหรับชิ้นส่วนที่เรียบง่ายกว่า การตัดเฉือนแบบ 3 แกนยังคงประหยัดกว่า ความสำเร็จขึ้นอยู่กับการลงทุนทั้งในด้านเทคโนโลยีและบุคลากรที่มีทักษะ ควบคู่ไปกับเครื่องมือ CAM และการจำลองที่มีประสิทธิภาพ ความร่วมมือตั้งแต่เนิ่นๆ ระหว่างฝ่ายออกแบบ วิศวกรรมการผลิต และโรงงานกลึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้ประโยชน์จากความสามารถของ 5 แกนอย่างเต็มที่ในการออกแบบชิ้นส่วนเพื่อการผลิต (DFM)

5. บทสรุป
เครื่องจักรกลซีเอ็นซี 5 แกนที่ทันสมัยมอบโซลูชันที่เหนือกว่าอย่างเห็นได้ชัดสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโลหะตามสั่งที่ซับซ้อนและมีความแม่นยำสูง เมื่อเทียบกับวิธีการ 3 แกนแบบดั้งเดิม ผลการวิจัยสำคัญยืนยันว่า:

ประสิทธิภาพที่สำคัญ:ลดเวลาในการทำงานได้ 40-60% ด้วยการตั้งค่าการตัดครั้งเดียวและเส้นทางเครื่องมือที่ปรับให้เหมาะสม

คุณภาพที่เพิ่มขึ้น:การปรับปรุงความหยาบของพื้นผิว (Ra) สูงถึง 35% เนื่องจากการวางแนวและการสัมผัสของเครื่องมือที่เหมาะสมที่สุด

ความแม่นยำที่เหนือกว่า:เพิ่มค่าเฉลี่ย 28% ในการรักษาความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตที่สำคัญภายใน ±0.025 มม. ขจัดข้อผิดพลาดจากการตั้งค่าหลายรายการ
เทคโนโลยีนี้ช่วยให้สามารถผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน (โพรงลึก ส่วนเว้าส่วนโค้ง เส้นโค้งผสม) ซึ่งไม่สามารถทำได้จริงหรือทำไม่ได้ด้วยเครื่องจักร 3 แกน โดยตอบโจทย์ความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแพทย์ และพลังงานโดยตรง

เพื่อให้ได้ผลตอบแทนสูงสุดจากการลงทุนด้านความสามารถ 5 แกน ผู้ผลิตควรมุ่งเน้นไปที่ชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนสูงและมีมูลค่าสูง ซึ่งความแม่นยำและระยะเวลารอคอยเป็นปัจจัยสำคัญในการแข่งขัน งานวิจัยในอนาคตควรศึกษาการผสานรวมการตัดเฉือน 5 แกนเข้ากับระบบมาตรวิทยาในกระบวนการเพื่อการควบคุมคุณภาพแบบเรียลไทม์และการตัดเฉือนแบบวงปิด เพื่อเพิ่มความแม่นยำและลดเศษวัสดุ การวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับกลยุทธ์การตัดเฉือนแบบปรับตัวที่ใช้ประโยชน์จากความยืดหยุ่น 5 แกนสำหรับวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยาก เช่น อินโคเนล หรือเหล็กกล้าชุบแข็ง ก็เป็นแนวทางที่มีคุณค่าเช่นกัน