Sản xuất linh kiện kim loại tùy chỉnh với gia công 5 trục

Sản xuất linh kiện kim loại tùy chỉnh với gia công 5 trục

Tác giả:PFT, Thâm Quyến

Tóm tắt:Sản xuất tiên tiến đòi hỏi các linh kiện kim loại ngày càng phức tạp và có độ chính xác cao trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, y tế và năng lượng. Phân tích này đánh giá khả năng của gia công điều khiển số bằng máy tính (CNC) 5 trục hiện đại trong việc đáp ứng các yêu cầu này. Sử dụng các hình học chuẩn đại diện cho các cánh quạt và cánh tua bin phức tạp, các thử nghiệm gia công đã được tiến hành so sánh các phương pháp 5 trục với các phương pháp 3 trục truyền thống trên titan cấp hàng không vũ trụ (Ti-6Al-4V) và thép không gỉ (316L). Kết quả cho thấy thời gian gia công giảm 40-60% và độ nhám bề mặt (Ra) được cải thiện tới 35% với quy trình gia công 5 trục, nhờ vào việc giảm thiết lập và định hướng dụng cụ được tối ưu hóa. Độ chính xác hình học cho các tính năng trong phạm vi dung sai ±0,025mm tăng trung bình 28%. Mặc dù đòi hỏi chuyên môn lập trình và đầu tư ban đầu đáng kể, gia công 5 trục cho phép sản xuất đáng tin cậy các hình học trước đây không khả thi với hiệu suất và độ hoàn thiện vượt trội. Những khả năng này định vị công nghệ 5 trục là thiết yếu cho việc chế tạo các bộ phận kim loại tùy chỉnh phức tạp, có giá trị cao.

1. Giới thiệu
Nỗ lực không ngừng nghỉ để tối ưu hóa hiệu suất trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ (yêu cầu các chi tiết nhẹ hơn, chắc chắn hơn), y tế (yêu cầu cấy ghép tương thích sinh học, dành riêng cho bệnh nhân) và năng lượng (yêu cầu các thành phần xử lý chất lỏng phức tạp) đã vượt qua giới hạn về độ phức tạp của chi tiết kim loại. Gia công CNC 3 trục truyền thống, bị hạn chế bởi khả năng tiếp cận dụng cụ và nhiều thiết lập cần thiết, gặp khó khăn với các đường viền phức tạp, khoang sâu và các tính năng yêu cầu góc ghép. Những hạn chế này dẫn đến độ chính xác bị ảnh hưởng, thời gian sản xuất kéo dài, chi phí cao hơn và các hạn chế về thiết kế. Đến năm 2025, khả năng sản xuất các chi tiết kim loại có độ chính xác cao, phức tạp một cách hiệu quả không còn là một điều xa xỉ mà là một nhu cầu thiết yếu mang tính cạnh tranh. Gia công CNC 5 trục hiện đại, cung cấp khả năng điều khiển đồng thời ba trục tuyến tính (X, Y, Z) và hai trục quay (A, B hoặc C), mang đến một giải pháp mang tính đột phá. Công nghệ này cho phép dụng cụ cắt tiếp cận phôi từ hầu hết mọi hướng trong một thiết lập duy nhất, về cơ bản khắc phục những hạn chế về khả năng tiếp cận vốn có của gia công 3 trục. Bài viết này xem xét các khả năng cụ thể, lợi thế định lượng và những cân nhắc triển khai thực tế của gia công 5 trục cho sản xuất chi tiết kim loại tùy chỉnh.

2. Phương pháp
2.1 Thiết kế & Đánh giá chuẩn
Hai bộ phận chuẩn được thiết kế bằng phần mềm Siemens NX CAD, thể hiện những thách thức chung trong sản xuất theo yêu cầu:

Cánh quạt:Có lưỡi dao xoắn phức tạp với tỷ lệ khung hình cao và khoảng hở hẹp.

Cánh tuabin:Kết hợp độ cong phức hợp, thành mỏng và bề mặt lắp đặt chính xác.
Những thiết kế này cố tình kết hợp các đường cắt lõm, túi sâu và các đặc điểm yêu cầu tiếp cận dụng cụ không theo phương vuông góc, đặc biệt nhắm vào những hạn chế của gia công 3 trục.

2.2 Vật liệu & Thiết bị

Nguyên vật liệu:Titan cấp hàng không vũ trụ (Ti-6Al-4V, điều kiện ủ) và thép không gỉ 316L được lựa chọn vì tính phù hợp của chúng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe và đặc tính gia công riêng biệt.

Máy móc:

5 trục:Khối đơn khối DMG MORI DMU 65 (điều khiển Heidenhain TNC 640).

3 trục:HAAS VF-4SS (điều khiển HAAS NGC).

Dụng cụ:Dao phay đầu carbide nguyên khối phủ (nhiều đường kính, đầu bi và đầu phẳng) của Kennametal và Sandvik Coromant được sử dụng để gia công thô và hoàn thiện. Các thông số cắt (tốc độ, bước tiến, độ sâu cắt) được tối ưu hóa theo vật liệu và khả năng của máy, sử dụng khuyến nghị của nhà sản xuất dụng cụ và các lần cắt thử nghiệm có kiểm soát.

Giữ chặt:Các đồ gá mô-đun được gia công chính xác, tùy chỉnh đảm bảo độ kẹp chắc chắn và vị trí lặp lại cho cả hai loại máy. Đối với các thử nghiệm 3 trục, các chi tiết cần xoay được định vị lại thủ công bằng chốt chính xác, mô phỏng quy trình sản xuất thông thường. Các thử nghiệm 5 trục tận dụng toàn bộ khả năng xoay của máy trong một thiết lập đồ gá duy nhất.

2.3 Thu thập và phân tích dữ liệu

Thời gian chu kỳ:Đo trực tiếp từ bộ đếm thời gian của máy.

Độ nhám bề mặt (Ra):Đo bằng máy đo biên dạng Mitutoyo Surftest SJ-410 tại năm vị trí quan trọng trên mỗi chi tiết. Ba chi tiết được gia công theo kết hợp vật liệu/máy.

Độ chính xác hình học:Được quét bằng máy đo tọa độ (CMM) Zeiss CONTURA G2. Các kích thước quan trọng và dung sai hình học (độ phẳng, độ vuông góc, độ nghiêng) được so sánh với mô hình CAD.

Phân tích thống kê:Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn được tính toán cho thời gian chu kỳ và phép đo Ra. Dữ liệu CMM được phân tích để xác định độ lệch so với kích thước danh nghĩa và tỷ lệ tuân thủ dung sai.

Bảng 1: Tóm tắt thiết lập thử nghiệm

3. Kết quả & Phân tích
3.1 Tăng hiệu quả
Gia công 5 trục cho thấy khả năng tiết kiệm thời gian đáng kể. Đối với cánh quạt titan, gia công 5 trục giúp giảm 58% thời gian chu kỳ so với gia công 3 trục (2,1 giờ so với 5,0 giờ). Cánh tuabin thép không gỉ cho thấy thời gian giảm 42% (1,8 giờ so với 3,1 giờ). Những cải thiện này chủ yếu là nhờ việc loại bỏ nhiều lần thiết lập và thời gian xử lý/cài đặt lại thủ công liên quan, đồng thời cho phép đường chạy dao hiệu quả hơn với các đường cắt dài hơn, liên tục hơn nhờ định hướng dao được tối ưu hóa.

3.2 Cải thiện chất lượng bề mặt
Độ nhám bề mặt (Ra) được cải thiện liên tục với gia công 5 trục. Trên các bề mặt cánh phức tạp của cánh quạt titan, giá trị Ra trung bình giảm 32% (0,8 µm so với 1,18 µm). Những cải thiện tương tự cũng được ghi nhận trên cánh tuabin thép không gỉ (Ra giảm 35%, trung bình 0,65 µm so với 1,0 µm). Sự cải thiện này là nhờ khả năng duy trì góc tiếp xúc cắt tối ưu, không đổi và giảm rung động của dụng cụ nhờ độ cứng của dụng cụ tốt hơn khi kéo dài dụng cụ ngắn hơn.

3.3 Nâng cao độ chính xác hình học
Phân tích CMM đã khẳng định độ chính xác hình học vượt trội với quy trình xử lý 5 trục. Tỷ lệ các chi tiết quan trọng nằm trong phạm vi dung sai nghiêm ngặt ±0,025mm đã tăng đáng kể: 30% đối với cánh quạt titan (đạt độ tuân thủ 92% so với 62%) và 26% đối với cánh quạt thép không gỉ (đạt độ tuân thủ 89% so với 63%). Sự cải thiện này bắt nguồn trực tiếp từ việc loại bỏ các lỗi tích lũy do nhiều lần thiết lập và việc định vị lại thủ công cần thiết trong quy trình 3 trục. Các chi tiết đòi hỏi góc ghép cho thấy mức tăng độ chính xác đáng kể nhất.

*Hình 1: So sánh số liệu hiệu suất (5 trục so với 3 trục)*

4. Thảo luận
Kết quả cho thấy rõ những lợi thế kỹ thuật của gia công 5 trục cho các chi tiết kim loại tùy chỉnh phức tạp. Việc giảm đáng kể thời gian chu kỳ sản xuất đồng nghĩa với việc giảm chi phí cho mỗi chi tiết và tăng năng lực sản xuất. Độ hoàn thiện bề mặt được cải thiện giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ các công đoạn hoàn thiện thứ cấp như đánh bóng thủ công, từ đó giảm chi phí và thời gian giao hàng, đồng thời nâng cao tính nhất quán của chi tiết. Bước nhảy vọt về độ chính xác hình học là rất quan trọng đối với các ứng dụng hiệu suất cao như động cơ hàng không vũ trụ hoặc cấy ghép y tế, nơi chức năng và độ an toàn của chi tiết là tối quan trọng.

Những lợi thế này chủ yếu đến từ khả năng cốt lõi của gia công 5 trục: chuyển động đa trục đồng thời cho phép xử lý chỉ với một lần thiết lập. Điều này giúp loại bỏ lỗi thiết lập và thời gian xử lý. Hơn nữa, việc định hướng dao tối ưu liên tục (duy trì tải phoi và lực cắt lý tưởng) giúp cải thiện độ bóng bề mặt và cho phép các chiến lược gia công mạnh mẽ hơn khi độ cứng của dao cho phép, góp phần tăng tốc độ.

Tuy nhiên, việc áp dụng thực tế đòi hỏi phải thừa nhận những hạn chế. Vốn đầu tư cho một máy 5 trục mạnh mẽ và dụng cụ phù hợp cao hơn đáng kể so với thiết bị 3 trục. Độ phức tạp của lập trình tăng theo cấp số nhân; việc tạo ra các đường chạy dao 5 trục hiệu quả, không va chạm đòi hỏi các lập trình viên CAM có tay nghề cao và phần mềm tiên tiến. Mô phỏng và kiểm chứng trở thành các bước bắt buộc trước khi gia công. Đồ gá phải đảm bảo cả độ cứng và khoảng hở đủ cho hành trình quay hoàn toàn. Những yếu tố này nâng cao trình độ kỹ năng cần thiết cho người vận hành và lập trình viên.

Ý nghĩa thực tiễn rất rõ ràng: gia công 5 trục vượt trội đối với các linh kiện phức tạp, giá trị cao, nơi lợi thế về tốc độ, chất lượng và khả năng bù đắp cho chi phí vận hành và đầu tư cao hơn. Đối với các chi tiết đơn giản hơn, gia công 3 trục vẫn tiết kiệm hơn. Thành công phụ thuộc vào việc đầu tư vào cả công nghệ và nhân sự lành nghề, cùng với các công cụ CAM và mô phỏng mạnh mẽ. Sự hợp tác sớm giữa thiết kế, kỹ thuật sản xuất và xưởng gia công là rất quan trọng để tận dụng tối đa khả năng 5 trục trong khi thiết kế các chi tiết cho khả năng sản xuất (DFM).

5. Kết luận
Gia công CNC 5 trục hiện đại cung cấp giải pháp vượt trội rõ rệt trong sản xuất các bộ phận kim loại tùy chỉnh phức tạp, có độ chính xác cao so với các phương pháp 3 trục truyền thống. Những phát hiện chính xác nhận:

Hiệu quả đáng kể:Giảm thời gian chu kỳ từ 40-60% thông qua gia công thiết lập đơn và đường chạy dao được tối ưu hóa.

Chất lượng nâng cao:Độ nhám bề mặt (Ra) được cải thiện tới 35% nhờ định hướng và tiếp xúc dụng cụ tối ưu.

Độ chính xác vượt trội:Tăng trung bình 28% trong việc duy trì dung sai hình học quan trọng trong phạm vi ±0,025mm, loại bỏ lỗi từ nhiều lần thiết lập.
Công nghệ này cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp (khoang sâu, vết cắt, đường cong phức hợp) không thực tế hoặc không thể thực hiện được bằng gia công 3 trục, đáp ứng trực tiếp nhu cầu ngày càng tăng của các ngành hàng không vũ trụ, y tế và năng lượng.

Để tối đa hóa lợi tức đầu tư vào khả năng gia công 5 trục, các nhà sản xuất nên tập trung vào các chi tiết có độ phức tạp cao, giá trị cao, trong đó độ chính xác và thời gian giao hàng là những yếu tố cạnh tranh quan trọng. Các nghiên cứu trong tương lai nên khám phá việc tích hợp gia công 5 trục với đo lường trong quy trình để kiểm soát chất lượng theo thời gian thực và gia công vòng kín, từ đó nâng cao hơn nữa độ chính xác và giảm phế liệu. Việc tiếp tục nghiên cứu các chiến lược gia công thích ứng tận dụng tính linh hoạt của 5 trục cho các vật liệu khó gia công như Inconel hoặc thép tôi cũng là một hướng đi đáng giá.