Viacprocesové obrábanie kompozitov: Možnosti, vybavenie a príručka použitia

Čo vlastne znamená viacprocesové obrábanie kompozitov

Viacprocesové kompozitné obrábanie sa vzťahuje na integráciu dvoch alebo viacerých odlišných obrábacích operácií – ako je sústruženie, frézovanie, vŕtanie, brúsenie, rezanie ozubených kolies alebo dokonca aditívna výroba – do jednej platformy stroja, ktorá dokončuje diel v jednom nastavení alebo minimálnom počte nastavení. Pojem "kompozit" sa v tomto kontexte nevzťahuje na kompozitné materiály; odkazuje na zložený charakter samotného procesu – viaceré výrobné operácie spojené do jednotného, ​​nepretržitého pracovného toku na jednom zariadení.

Tradičné výrobné postupy pre zložité diely vyžadujú sekvenčné operácie na samostatných strojoch: sústruh na sústruženie, obrábacie centrum na frézovanie, povrchová brúska na konečnú úpravu a potenciálne ďalšie špeciálne vybavenie pre funkcie, ako sú zuby ozubených kolies, závity alebo hlboké otvory. Každé odovzdanie stroja zahŕňa opätovné upnutie obrobku, opätovné uchytenie a opätovné nastavenie referencie – každé z nich predstavuje chybu polohovania, predlžuje čas manipulácie a vytvára príležitosť na poškodenie dielu. Vo výrobe s vysokou presnosťou môže kumulatívna chyba z viacerých nastavení spotrebovať značnú časť dostupného rozpočtu tolerancie ešte pred začatím akéhokoľvek rezania.

Viacprocesové obrábanie kompozitov eliminuje alebo dramaticky znižuje tieto medziprocesové odovzdania. Kompozitné obrábacie centrum vybavené sústružníckymi vretenami, aktívnymi frézovacími nástrojmi, osou B alebo osou Y a integrovaným meracím snímaním dokáže odobrať surový predvalok alebo odliatok od prvého hrubovacieho rezu až po hotový, rozmerovo overený diel bez toho, aby obrobok opustil obálku stroja. Nie je to len pohodlie – zásadne to mení dosiahnuteľnú presnosť, čas cyklu a ekonomiku výroby zložitých presných komponentov.

Kombinácie základných procesov v kompozitných obrábacích centrách

Špecifické kombinácie procesov dostupné v zariadeniach na obrábanie kompozitov sa líšia podľa konfigurácie stroja, ale niekoľko základných kombinácií sa stalo štandardom v tomto odvetví. Pochopenie toho, čo každá kombinácia umožňuje – a čo vyžaduje od architektúry stroja – je východiskovým bodom pre vyhodnotenie toho, či je kompozitné obrábanie tým správnym riešením pre danú rodinu dielov.

Sústružnícke obrábanie kompozitov

Otočná fréza je najrozšírenejšou formou viacprocesového kompozitného obrábania. Sústružnícke frézovacie centrum kombinuje primárne sústružnícke vreteno – ktoré otáča obrobok pre konvenčné sústružnícke operácie – s frézovacím vretenom alebo revolverovou hlavou, ktorá môže vykonávať rotačné rezacie operácie na stacionárnom alebo pomaly rotujúcom obrobku. Táto kombinácia umožňuje jedinému stroju vyrábať rotačne symetrické prvky prostredníctvom sústruženia a zároveň vytvárať prizmatické prvky – plochy, drážky, priečne otvory, špirálové drážky a frézované vrecká – ktoré by inak vyžadovali samostatné obrábacie centrum. Moderné sústružnícke frézovacie centrá pridávajú možnosť osi Y (frézovanie mimo osi), nakláňanie osi B (vŕtanie a frézovanie pod uhlom) a často aj pomocné vreteno, ktoré zviera diel z opačného konca, aby umožnilo spätné opracovanie bez manuálneho opätovného upnutia. Táto konfigurácia je obzvlášť výkonná pre komponenty hriadeľového typu, hydraulické rozvody a letecké konštrukčné diely, ktoré kombinujú rotačné a prizmatické vlastnosti.

Frézovacie obrábanie kompozitov

Sústružnicko-frézové centrá sú architektonicky podobné sústružníckym frézovacím strojom, ale sú orientované predovšetkým ako obrábacie centrá s pridanou schopnosťou sústruženia. Primárne vreteno upne obrobok pre 5-osové frézovanie a funkcia sústruženia sa pridáva cez sekundárne vreteno alebo otáčaním obrobku proti stacionárnym sústružníckym nástrojom. Frézovacie sústruženie je preferovanou konfiguráciou pre diely, ktoré sú primárne prizmatické s niektorými rotačnými vlastnosťami – komponenty, kde je väčšina úberu materiálu frézovaná, ale kde sa vyžaduje aj sústruženie priemeru, vŕtanie kruhovej kapsy alebo výroba sústruženého povrchu. Rozdiel medzi sústružnicou a frézou je skôr architektonický než absolútny a mnohí výrobcovia používajú tieto výrazy zameniteľne pre stroje s vyváženou schopnosťou sústruženia a frézovania.

Obrábanie kompozitov integrované do brúsenia

Integrácia brúsenia do kompozitného obrábacieho centra rozširuje procesný reťazec od hrubého a polodokončovacieho obrábania až po tvrdé dokončovanie – všetko v jedinom nastavení. To je dôležité najmä pre súčiastky z tvrdenej ocele, kde sa pred kalením musí vykonať sústruženie a frézovanie, po ktorom je možné požadovanú povrchovú úpravu a rozmerovú presnosť dosiahnuť iba brúsením. Kompozitné obrábacie centrum s integrovanou schopnosťou valcového alebo vnútorného brúsenia eliminuje stratu presnosti druhého nastavenia, ku ktorej dochádza, keď sa sústružený a frézovaný diel prenesie do samostatnej brúsky po tepelnom spracovaní. Tvrdé sústruženie ako alternatíva k brúseniu je v niektorých aplikáciách dobre zavedené, ale pre najprísnejšie tolerancie – pod triedou IT5 a Ra pod 0,4 µm – zostáva integrované brúsenie v bunke na obrábanie kompozitu najspoľahlivejšou cestou k konzistentným výsledkom.

Aditívne-subtraktívne obrábanie kompozitov

Najnovšou hranicou vo viacprocesovom kompozitnom obrábaní je integrácia aditívnej výroby – typicky usmerneného nanášania energie (DED) pomocou laserovej práškovej trysky – s konvenčným subtraktívneho obrábania v rovnakom obale stroja. Aditívne-subtraktívne obrábacie centrum kompozitov môže vytvárať materiál na špecifických miestach pomocou laserového plátovania alebo DED, potom okamžite opracovať uložený materiál na hotové rozmery bez odstránenia obrobku. Táto schopnosť umožňuje opravu opotrebovaných alebo poškodených vysokohodnotných komponentov – prestavbu opotrebovaných ložiskových čapov na leteckých hriadeľoch, obnovu hrotov turbínových lopatiek – ako aj výrobu dielov s takmer čistým tvarom so zložitými vnútornými vlastnosťami, ktoré sa nedajú vyrobiť iba subtraktívnym obrábaním. Aditívne-subtraktívne kompozitné stroje v súčasnosti predstavujú malý zlomok inštalovanej základne, ale sú najrýchlejšie rastúcim segmentom na trhu kompozitného obrábania.

Strojové architektúry, ktoré umožňujú kompozitné obrábanie

Fyzická architektúra kompozitného obrábacieho centra – usporiadanie osí, vretien, vežičiek a meničov nástrojov – určuje, ktoré kombinácie procesov sú možné a ako efektívne sa dajú vykonávať. Niekoľko konfigurácií strojovej architektúry sa etablovalo ako primárne platformy pre viacprocesové obrábanie kompozitov.

Rotačná fréza so šikmým lôžkom s pomocným vretenom a osou Y

Sústruh so šikmým lôžkom s poháňanou revolverovou hlavou, osou Y a pomocným vretenom je nosnou platformou produkčne orientovaného sústružníckeho kompozitného obrábania. Šikmé lôžko poskytuje odvádzanie triesok a štrukturálnu tuhosť; os Y umožňuje frézovanie mimo stredu; pomocné vreteno uchopí diel na spätné opracovanie po dokončení hlavných operácií vretena. Táto architektúra je vysoko vyspelá, široko dostupná od viacerých výrobcov a optimalizovaná pre súčiastky hriadeľa, fitingu a konektorov vyrábané v strednom až veľkom objeme. Obmedzením je, že nástrojový systém na báze revolverového vretena obmedzuje dostupný výkon a rýchlosť frézovacieho vretena – revolverové hlavy s poháňanými nástrojmi zvyčajne poskytujú 5 až 15 kW frézovacieho výkonu v porovnaní s 20 až 50 kW na vyhradenom vretene obrábacieho centra, čím sú menej vhodné na ťažké frézovacie operácie na veľkých alebo tvrdých obrobkoch.

Multitaskingový stroj s hlavou frézovacieho vretena a osou B

Kompozitné obrábacie centrá s vyššou schopnosťou nahrádzajú poháňané nástroje na revolverovej hlave špeciálnou hlavou frézovacieho vretena namontovanou na osi B, ktorá sa nakláňa v definovanom uhlovom rozsahu – zvyčajne ±90° až ±120°. Táto architektúra poskytuje plný výkon a rýchlosť frézovania na obrábacom centre spolu so schopnosťou sústruženia, čo umožňuje okrem všetkých štandardných sústružníckych operácií ťažké čelné frézovanie, frézovanie hlbokých vreciek a 5-osové simultánne kontúrovanie. Naklonenie osi B umožňuje vytváranie uhlových prvkov – zložené uhlové otvory, naklonené povrchy, zárezy – bez zmeny polohy obrobku. Stroje v tejto kategórii – ako napríklad séria Mazak Integrex, séria DMG Mori NTX a séria Okuma MULTUS – predstavujú vysokovýkonný koniec sústružníckeho kompozitného obrábania a sú preferovanými platformami pre letecký priemysel, energetiku a výrobu komponentov medicínskych zariadení.

Konfigurácie s dvojitým vretenom a dvojitou vežou

Dvojvretenové kompozitné obrábacie centrá s dvoma revolvermi upevňujú dve čelné vretená a dve nezávislé revolverové hlavy do toho istého stroja, čo umožňuje súčasné obrábanie oboch koncov dielca alebo paralelné spracovanie dvoch samostatných dielov naraz. Čas cyklu pri vyvážených operáciách s dvoma vretenami sa môže priblížiť k polovici času sekvenčného obrábania s jedným vretenom. Táto architektúra je obzvlášť efektívna pre veľkoobjemovú výrobu komponentov typu krátkeho hriadeľa a skľučovadla, kde geometria dielov umožňuje zmysluplné súčasné operácie na oboch koncoch – komponenty automobilových prevodoviek, hydraulické armatúry a podobné diely vyrábané v tisícoch za zmenu.

Schopnosti presnosti a tolerancie v porovnaní s konvenčným smerovaním

Jedným z najpresvedčivejších kvantitatívnych argumentov pre viacprocesové kompozitné obrábanie je zlepšenie dosiahnuteľnej presnosti dielu, ktoré je výsledkom eliminácie chýb pri opätovnom nastavení. Pochopenie rozsahu tohto zlepšenia – a kde sa uplatňuje a kde nie – je nevyhnutné na vyhodnotenie toho, či je kompozitné obrábanie opodstatnené pre konkrétnu časť.

Zlepšenie presnosti z kompozitného obrábania s jedným nastavením je najvýznamnejšie pre geometrické tolerancie, ktoré súvisia s prvkami obrábanými v rôznych fázach procesu – sústrednosť medzi sústruženým otvorom a vyfrézovanou kružnicou skrutky, kolmosť medzi priemerom sústruženého hriadeľa a frézovanou plochou alebo poloha krížovo vyvŕtaných otvorov vzhľadom na sústruženú stredovú čiaru. Tieto vzájomné vzťahy medzi funkciami môžu byť zachované len vtedy, keď sa všetky funkcie vzťahujú na rovnaký základ v rovnakom nastavení. Pre prvky, ktoré sú úplne nezávislé – vyfrézovaná rovina na jednej ploche a sústružený priemer na druhej strane bez špecifikovaného vzťahu medzi nimi – je výhoda presnosti kompozitného obrábania menej výrazná, aj keď výhody znižovania doby cyklu a WIP stále platia.

Zložitosť programovania a požiadavky na CAM

Rozšírená schopnosť multiprocesných kompozitných obrábacích centier prichádza so zodpovedajúcim zvýšením zložitosti programovania. Časť, ktorá si vyžadovala samostatné programy pre sústruh, vertikálne obrábacie centrum a valcovú brúsku, teraz vyžaduje jeden integrovaný program, ktorý koordinuje všetky operácie – vrátane synchronizácie simultánnych operácií, predchádzania kolíziám osí, postupnosti výmeny nástrojov a cyklov merania počas procesu. Táto zložitosť si vyžaduje ako schopný CAM softvér, tak skúsených programátorov, ktorí rozumejú programovým metodológiám sústruženia aj frézovania.

Výber softvéru CAM pre kompozitné obrábanie

Nie každý softvér CAM zvláda obrábanie kompozitov rovnako dobre. Programy napísané v základných CAM systémoch, ktoré sú určené buď na samotné sústruženie alebo frézovanie, nie sú vhodné pre viacprocesové stroje – nedokážu simulovať úplnú kinematiku stroja, koordinovať synchronizáciu viacerých vretien ani overiť zamedzenie kolíziám v celej obálke stroja. Programovanie kompozitného obrábania na výrobnej úrovni vyžaduje CAM systémy s natívnymi multi-tasking modulmi – Mastercam Mill-Turn, Siemens NX CAM, Hypermill Turn Mill alebo špecializované moduly v rámci vlastného programovacieho prostredia výrobcu stroja. Tieto systémy importujú kompletný kinematický model stroja a simulujú celý cyklus obrábania, označujúce kolízie medzi držiakmi nástrojov, čeľusťami skľučovadla, koníkom a obrobkom pred spustením programu na skutočnom stroji. Simulácia stroja nie je pre kompozitné obrábanie voliteľná – následky kolízie na stroji v hodnote 500 000 EUR alebo viac sú dostatočne závažné na to, aby sa virtuálne overovanie stalo povinným krokom v akomkoľvek zodpovednom výrobnom pracovnom postupe.

Programovanie synchronizácie pre viacvretenové operácie

Kompozitné obrábacie centrá s dvojitým vretenom a dvoma revolverovými hlavami vyžadujú synchronizačné programovanie – explicitnú koordináciu operácií na oboch vretenách a oboch revolverových hlavách, aby bežali súčasne, pokiaľ je to možné, bez vzájomného rušenia. Synchronizácia je zvyčajne riadená pomocou príkazov WAIT alebo synchronizačných kódov v programe CNC, ktoré podržia jeden kanál, kým druhý nedokončí definovanú operáciu, kým oba pokračujú. Optimalizácia synchronizácie s cieľom minimalizovať čas nečinnosti na jednom vretene – vyváženie práce medzi hlavným vretenom a vedľajším vretenom, aby obe rezali na maximálnu časť cyklu – je to, čo prináša teoretické skrátenie času cyklu pri dvojvretenových strojoch. Zle synchronizované programy môžu eliminovať väčšinu časovej výhody cyklu tým, že ponechajú jedno vreteno nečinné, kým čakajú na druhé, čím sa stroj efektívne spúšťa ako sekvenčný a nie paralelný procesor.

Integrácia merania počas procesu

Kompozitné obrábacie centrá sú čoraz viac vybavené systémami snímania na stroji – dotykové spúšťacie alebo skenovacie sondy namontované v meniči nástrojov – ktoré merajú vlastnosti obrobku počas cyklu obrábania a odosielajú údaje o rozmeroch do CNC na automatickú korekciu korekcie nástroja. Táto schopnosť uzavretej slučky je obzvlášť cenná pri obrábaní kompozitov, pretože povaha procesu s jedným nastavením znamená, že neexistuje príležitosť na medzioperačnú kontrolu a korekciu. Chyba, ktorá vzniká počas sústruženia – priemer zväčšujúci sa s opotrebovaním doštičky – môže ovplyvniť polohu následne vyfrézovaných prvkov, ak nie je detekovaná a opravená v rámci toho istého cyklu. Programovanie cyklov merania, definovanie logiky korekcií a nastavenie tolerančných limitov pre automatické korekcie a korekcie s príznakmi alarmu je neoddeliteľnou súčasťou vývoja procesu obrábania kompozitov, nie dodatočným nápadom.

Odvetvia a typy dielov, ktoré majú najväčší úžitok

Viacprocesové kompozitné obrábanie prináša najväčšiu výhodu pre diely, ktoré kombinujú viacero typov prvkov, vyžadujú tesné tolerancie medzi prvkami, vyrábajú sa v malých až stredných objemoch, kde je významná amortizácia nastavenia, alebo sú vyrobené z drahých alebo ťažko obrobiteľných materiálov, kde minimalizácia rizika manipulácie a upínania znižuje množstvo odpadu.

• Letecké konštrukčné prvky: Ovládače podvozku, zostavy hriadeľov motora, dodatočné obrábanie turbínových kotúčov a komponenty riadenia letu kombinujú sústružené priemery s frézovanými vreckami, vŕtanými krížovými otvormi a presnými otvormi – presne to je kombinácia funkcií, ktorá najviac profituje z obrábania kompozitov. Pevná sústrednosť a tolerancie polohy medzi týmito vlastnosťami v kombinácii s drahými zliatinami pre letectvo a kozmonautiku, kde je šrot katastrofálne drahý, robia z obrábania kompozitov štandardný výrobný prístup u popredných výrobcov letectva.
• Implantáty a nástroje zdravotníckych pomôcok: Ortopedické implantáty, chirurgické nástroje a zubné komponenty vyžadujú zložité geometrie opracované s veľmi tesnými toleranciami v biokompatibilných materiáloch – titán, kobalt-chróm, nehrdzavejúca oceľ – kde integrita povrchu a rozmerová presnosť priamo ovplyvňujú výsledky pacienta. Kompozitné obrábacie centrá umožňujú vyrábať tieto diely kompletne v jedinom nastavení, čím sa znižuje riziko kontaminácie pri manipulácii a nahromadenie tolerancií.
• Komponenty na ropu a zemný plyn: Vŕtacie objímky, stabilizátory, telá vrtných nástrojov a komponenty podmorských konektorov sú veľké, ťažké a zložité diely vyrábané v relatívne malých množstvách. Ich kombinácia sústružených vonkajších priemerov, frézovaných plôch, krížovo vŕtaných portov a závitových spojení naprieč dlhými obrobkami z nich robí ideálnych kandidátov pre veľkokapacitné kompozitné obrábacie centrá.
• Komponenty automobilovej hnacej jednotky: Prevodové hriadele, telesá diferenciálov a komponenty turbodúchadiel vo vysokovýkonných alebo úžitkových vozidlách využívajú kompozitné obrábanie na kombináciu presnosti, skrátenia doby cyklu a efektívnosti podlahového priestoru, ktoré objemy výroby odôvodňujú kapitálové investície.
• Komponenty priemyselných nástrojov a foriem: Vložky do vstrekovacích foriem, komponenty lisovníc a presné telesá prípravkov, ktoré kombinujú zložité 3D frézované povrchy so sústruženými alebo brúsenými valcovými vlastnosťami, ťažia z eliminácie chýb opätovného nastavenia, ktoré poskytuje kompozitné obrábanie, najmä tam, kde je vzťah medzi frézovanými povrchmi dutín a sústruženými umiestňovacími priemermi kritickým rozmerom zostavy.

Hodnotenie, či je viacprocesové obrábanie kompozitov vhodné pre vašu prevádzku

Kapitálové náklady na kompozitné obrábacie centrum – zvyčajne dvoj- až päťnásobok nákladov na porovnateľný jednoprocesový stroj – znamenajú, že investičné rozhodnutie si vyžaduje starostlivú analýzu toho, kde a ako sa tieto náklady vrátia prostredníctvom výrobných výhod. Nie každá súčiastka a nie každá operácia ospravedlňuje obrábanie kompozitov a investícia bez jasného ekonomického odôvodnenia vytvára finančné riziko, ktoré podkopáva skutočné výhody technológie.

• Analýza zložitosti dielov: Identifikujte počet rôznych nastavení, ktoré sú v súčasnosti potrebné na dokončenie dielu na konvenčnom zariadení. Diely vyžadujúce tri alebo viac nastavení na viacerých typoch strojov sú najsilnejšími kandidátmi na obrábanie kompozitov. Diely vyžadujúce jedno alebo dve nastavenia na jednom type stroja získajú menej z kompozitného obrábania a nemusia byť dôvodom na zvýšenie nákladov.
• Tolerančná analýza: Skontrolujte požiadavky GD&T na výkrese na geometrické tolerancie medzi prvkami – sústrednosť, kolmosť, skutočná poloha medzi prvkami vyrobenými na rôznych strojoch v aktuálnej trase. Ak tieto tolerancie spotrebujú viac ako 50 % dostupného rozpočtu len kvôli chybe nastavenia, výhoda presnosti kompozitného obrábania má jasnú kvantifikovateľnú hodnotu.
• Dodacia lehota a cena WIP: Vypočítajte celkový čas, ktorý uplynie od suroviny po hotový diel na aktuálnej trase viacerých strojov, vrátane času vo fronte na každom stroji. V predajniach zákaziek a v prostrediach s malým objemom výroby predstavuje čas vo fronte často 80 % alebo viac z celkového času prípravy. Ak kompozitné obrábanie eliminuje tri fronty strojov, môže byť dominantným ekonomickým hnacím motorom skrátenie doby prípravy, a nie priame náklady na obrábanie.
• Podlahová plocha a efektívnosť práce: Jedno kompozitné obrábacie centrum nahrádzajúce tri samostatné stroje znižuje požiadavky na podlahovú plochu, zjednodušuje tok materiálu a potenciálne znižuje počet potrebných operátorov strojov – z ktorých každý má kvantifikovateľný vplyv na náklady, ktorý prispieva k opodstatnenosti investície.
• Schopnosť programovania a zručností: Kompozitné obrábanie vyžaduje kvalifikovanejších programátorov a operátorov ako bežné jednoprocesové stroje. Predtým, ako sa zaviažete k investícii, zhodnoťte, či existujúci zamestnanci môžu získať požadovanú kompetenciu prostredníctvom školenia, alebo či sú potrební noví zamestnanci so skúsenosťami s obrábaním kompozitov. Podcenenie požiadavky na rozvoj zručností je jednou z najčastejších príčin toho, že investície do kompozitného obrábania nedosahujú ich obchodný prípad.
• Objem a veľkosť dávky: Výhoda eliminácie nastavenia kompozitného obrábania je najcennejšia pri malých až stredných veľkostiach sérií, kde čas nastavenia predstavuje významný podiel celkového času výroby. Pri veľmi veľkých objemoch, kde sú už špecializované prenosové linky alebo špecializovaná jednoprocesová automatizácia optimalizovaná, je ekonomika obrábania kompozitov menej presvedčivá, pokiaľ požiadavky na presnosť špecificky nevyvolávajú potrebu výroby s jedným nastavením.