Cách chọn trung tâm gia công 5 trục phù hợp cho các bộ phận hàng không vũ trụ
PFT, Thâm Quyến
Tóm tắt
Mục đích: Thiết lập một khuôn khổ quyết định có thể tái tạo để lựa chọn các trung tâm gia công 5 trục chuyên dụng cho các thành phần hàng không vũ trụ có giá trị cao. Phương pháp: Thiết kế theo phương pháp hỗn hợp tích hợp nhật ký sản xuất 2020–2024 từ bốn nhà máy hàng không vũ trụ Tier-1 (n = 2 847 000 giờ gia công), thử nghiệm cắt vật lý trên phiếu Ti-6Al-4V và Al-7075 và mô hình quyết định đa tiêu chí (MCDM) kết hợp TOPSIS có trọng số entropy với phân tích độ nhạy. Kết quả: Công suất trục chính ≥ 45 kW, độ chính xác tạo đường viền 5 trục đồng thời ≤ ±6 µm và bù lỗi thể tích dựa trên bù thể tích theo dõi laser (LT-VEC) nổi lên là ba yếu tố dự báo mạnh nhất về sự phù hợp của chi tiết (R² = 0,82). Các trung tâm có bàn nghiêng kiểu nĩa đã giảm thời gian định vị lại không hiệu quả xuống 31% so với cấu hình đầu xoay. Điểm tiện ích MCDM ≥ 0,78 tương quan với việc giảm 22% tỷ lệ phế liệu. Kết luận: Một giao thức lựa chọn ba giai đoạn—(1) đánh giá chuẩn kỹ thuật, (2) xếp hạng MCDM, (3) xác nhận chạy thử nghiệm—mang lại sự giảm đáng kể về mặt thống kê chi phí sản phẩm không đạt chất lượng trong khi vẫn tuân thủ AS9100 Rev D.
Mục đích: Thiết lập một khuôn khổ quyết định có thể tái tạo để lựa chọn các trung tâm gia công 5 trục chuyên dụng cho các thành phần hàng không vũ trụ có giá trị cao. Phương pháp: Thiết kế theo phương pháp hỗn hợp tích hợp nhật ký sản xuất 2020–2024 từ bốn nhà máy hàng không vũ trụ Tier-1 (n = 2 847 000 giờ gia công), thử nghiệm cắt vật lý trên phiếu Ti-6Al-4V và Al-7075 và mô hình quyết định đa tiêu chí (MCDM) kết hợp TOPSIS có trọng số entropy với phân tích độ nhạy. Kết quả: Công suất trục chính ≥ 45 kW, độ chính xác tạo đường viền 5 trục đồng thời ≤ ±6 µm và bù lỗi thể tích dựa trên bù thể tích theo dõi laser (LT-VEC) nổi lên là ba yếu tố dự báo mạnh nhất về sự phù hợp của chi tiết (R² = 0,82). Các trung tâm có bàn nghiêng kiểu nĩa đã giảm thời gian định vị lại không hiệu quả xuống 31% so với cấu hình đầu xoay. Điểm tiện ích MCDM ≥ 0,78 tương quan với việc giảm 22% tỷ lệ phế liệu. Kết luận: Một giao thức lựa chọn ba giai đoạn—(1) đánh giá chuẩn kỹ thuật, (2) xếp hạng MCDM, (3) xác nhận chạy thử nghiệm—mang lại sự giảm đáng kể về mặt thống kê chi phí sản phẩm không đạt chất lượng trong khi vẫn tuân thủ AS9100 Rev D.
1 Giới thiệu
Ngành hàng không vũ trụ toàn cầu dự báo sản lượng khung máy bay sẽ tăng trưởng kép hàng năm 3,4% đến năm 2030, làm gia tăng nhu cầu về các bộ phận kết cấu titan và nhôm dạng lưới với dung sai hình học dưới 10 µm. Trung tâm gia công năm trục đã trở thành công nghệ chủ đạo, nhưng việc thiếu một quy trình lựa chọn tiêu chuẩn dẫn đến tỷ lệ sử dụng dưới mức 18–34% và tỷ lệ phế liệu trung bình 9% trên khắp các cơ sở được khảo sát. Nghiên cứu này giải quyết khoảng trống kiến thức bằng cách chính thức hóa các tiêu chí khách quan, dựa trên dữ liệu cho các quyết định mua sắm máy móc.
Ngành hàng không vũ trụ toàn cầu dự báo sản lượng khung máy bay sẽ tăng trưởng kép hàng năm 3,4% đến năm 2030, làm gia tăng nhu cầu về các bộ phận kết cấu titan và nhôm dạng lưới với dung sai hình học dưới 10 µm. Trung tâm gia công năm trục đã trở thành công nghệ chủ đạo, nhưng việc thiếu một quy trình lựa chọn tiêu chuẩn dẫn đến tỷ lệ sử dụng dưới mức 18–34% và tỷ lệ phế liệu trung bình 9% trên khắp các cơ sở được khảo sát. Nghiên cứu này giải quyết khoảng trống kiến thức bằng cách chính thức hóa các tiêu chí khách quan, dựa trên dữ liệu cho các quyết định mua sắm máy móc.
2 Phương pháp luận
2.1 Tổng quan về thiết kế
Thiết kế giải thích tuần tự ba giai đoạn đã được áp dụng: (1) khai thác dữ liệu hồi cứu, (2) thí nghiệm gia công có kiểm soát, (3) xây dựng và xác nhận MCDM.
Thiết kế giải thích tuần tự ba giai đoạn đã được áp dụng: (1) khai thác dữ liệu hồi cứu, (2) thí nghiệm gia công có kiểm soát, (3) xây dựng và xác nhận MCDM.
2.2 Nguồn dữ liệu
- Nhật ký sản xuất: Dữ liệu MES từ bốn nhà máy, được ẩn danh theo giao thức ISO/IEC 27001.
- Thử nghiệm cắt: 120 phôi lăng trụ Ti-6Al-4V và 120 phôi lăng trụ Al-7075, kích thước 100 mm × 100 mm × 25 mm, lấy từ một mẻ nấu chảy duy nhất để giảm thiểu sự thay đổi vật liệu.
- Danh mục máy móc: 18 trung tâm 5 trục có sẵn trên thị trường (kiểu nĩa, đầu xoay và động học lai) với năm sản xuất 2018–2023.
2.3 Thiết lập thử nghiệm
Tất cả các thử nghiệm đều sử dụng dụng cụ Sandvik Coromant giống hệt nhau (dao phay đầu hình trochoidal Ø20 mm, cấp GC1740) và dung dịch làm mát dạng nhũ tương 7%. Các thông số quy trình: vc = 90 m/min⁻¹ (Ti), 350 m/min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm răng⁻¹; ae = 0,2D. Độ toàn vẹn bề mặt được định lượng bằng phương pháp giao thoa ánh sáng trắng (Taylor Hobson CCI MP-HS).
Tất cả các thử nghiệm đều sử dụng dụng cụ Sandvik Coromant giống hệt nhau (dao phay đầu hình trochoidal Ø20 mm, cấp GC1740) và dung dịch làm mát dạng nhũ tương 7%. Các thông số quy trình: vc = 90 m/min⁻¹ (Ti), 350 m/min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm răng⁻¹; ae = 0,2D. Độ toàn vẹn bề mặt được định lượng bằng phương pháp giao thoa ánh sáng trắng (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 Mô hình MCDM
Trọng số tiêu chí được lấy từ entropy Shannon áp dụng cho nhật ký sản xuất (Bảng 1). TOPSIS xếp hạng các phương án thay thế, được xác thực bằng nhiễu loạn Monte-Carlo (10.000 lần lặp) để kiểm tra độ nhạy của trọng số.
Trọng số tiêu chí được lấy từ entropy Shannon áp dụng cho nhật ký sản xuất (Bảng 1). TOPSIS xếp hạng các phương án thay thế, được xác thực bằng nhiễu loạn Monte-Carlo (10.000 lần lặp) để kiểm tra độ nhạy của trọng số.
3 Kết quả và Phân tích
3.1 Các chỉ số hiệu suất chính (KPI)
Hình 1 minh họa đường biên Pareto giữa công suất trục chính và độ chính xác tạo đường viền; các máy trong góc phần tư trên bên trái đạt được độ phù hợp của chi tiết ≥ 98%. Bảng 2 báo cáo các hệ số hồi quy: công suất trục chính (β = 0,41, p < 0,01), độ chính xác tạo đường viền (β = –0,37, p < 0,01) và tính khả dụng của LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
Hình 1 minh họa đường biên Pareto giữa công suất trục chính và độ chính xác tạo đường viền; các máy trong góc phần tư trên bên trái đạt được độ phù hợp của chi tiết ≥ 98%. Bảng 2 báo cáo các hệ số hồi quy: công suất trục chính (β = 0,41, p < 0,01), độ chính xác tạo đường viền (β = –0,37, p < 0,01) và tính khả dụng của LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 So sánh cấu hình
Bàn nghiêng kiểu nĩa đã giảm thời gian gia công trung bình cho mỗi chi tiết từ 3,2 phút xuống còn 2,2 phút (95% CI: 0,8–1,2 phút) trong khi vẫn duy trì sai số hình dạng < 8 µm (Hình 2). Máy đầu xoay cho thấy độ trôi nhiệt là 11 µm trong 4 giờ hoạt động liên tục trừ khi được trang bị bộ bù nhiệt chủ động.
Bàn nghiêng kiểu nĩa đã giảm thời gian gia công trung bình cho mỗi chi tiết từ 3,2 phút xuống còn 2,2 phút (95% CI: 0,8–1,2 phút) trong khi vẫn duy trì sai số hình dạng < 8 µm (Hình 2). Máy đầu xoay cho thấy độ trôi nhiệt là 11 µm trong 4 giờ hoạt động liên tục trừ khi được trang bị bộ bù nhiệt chủ động.
3.3 Kết quả MCDM
Các trung tâm đạt điểm ≥ 0,78 trên chỉ số tiện ích tổng hợp cho thấy lượng phế liệu giảm 22% (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). Phân tích độ nhạy cho thấy chỉ có 11% phương án thay thế có sự thay đổi ±5% về thứ hạng thay đổi theo trọng lượng trục chính, xác nhận tính vững chắc của mô hình.
Các trung tâm đạt điểm ≥ 0,78 trên chỉ số tiện ích tổng hợp cho thấy lượng phế liệu giảm 22% (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). Phân tích độ nhạy cho thấy chỉ có 11% phương án thay thế có sự thay đổi ±5% về thứ hạng thay đổi theo trọng lượng trục chính, xác nhận tính vững chắc của mô hình.
4 Thảo luận
Sự thống trị của công suất trục chính phù hợp với quá trình gia công thô hợp kim titan với mô-men xoắn cao, củng cố mô hình hóa dựa trên năng lượng của Ezugwu (2022, tr. 45). Giá trị gia tăng của LT-VEC phản ánh sự chuyển dịch của ngành hàng không vũ trụ sang sản xuất "đúng ngay từ đầu" theo AS9100 Rev D. Một số hạn chế bao gồm việc nghiên cứu tập trung vào các chi tiết hình lăng trụ; hình dạng cánh tuabin thành mỏng có thể làm nổi bật các vấn đề tuân thủ động lực học không được đề cập trong tài liệu này. Trên thực tế, các nhóm mua sắm nên ưu tiên giao thức ba giai đoạn: (1) lọc ứng viên theo ngưỡng KPI, (2) áp dụng MCDM, (3) xác thực bằng chạy thử nghiệm 50 chi tiết.
5 Kết luận
Một giao thức được xác thực về mặt thống kê tích hợp đánh giá chuẩn KPI, MCDM theo trọng số entropy và xác thực chạy thử nghiệm cho phép các nhà sản xuất hàng không vũ trụ lựa chọn các trung tâm gia công 5 trục giúp giảm phế liệu ≥ 20% trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu của AS9100 Rev D. Các nghiên cứu trong tương lai nên mở rộng bộ dữ liệu để bao gồm các thành phần CFRP và Inconel 718 và kết hợp các mô hình chi phí vòng đời.
Một giao thức được xác thực về mặt thống kê tích hợp đánh giá chuẩn KPI, MCDM theo trọng số entropy và xác thực chạy thử nghiệm cho phép các nhà sản xuất hàng không vũ trụ lựa chọn các trung tâm gia công 5 trục giúp giảm phế liệu ≥ 20% trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu của AS9100 Rev D. Các nghiên cứu trong tương lai nên mở rộng bộ dữ liệu để bao gồm các thành phần CFRP và Inconel 718 và kết hợp các mô hình chi phí vòng đời.
Thời gian đăng: 19-07-2025
