5-એક્સિસ મશીનિંગ સાથે કસ્ટમ મેટલ પાર્ટ્સનું ઉત્પાદન

5-એક્સિસ મશીનિંગ સાથે કસ્ટમ મેટલ પાર્ટ્સનું ઉત્પાદન

લેખક:પીએફટી, શેનઝેન

સારાંશ:એરોસ્પેસ, મેડિકલ અને ઉર્જા ક્ષેત્રોમાં અદ્યતન ઉત્પાદન વધુને વધુ જટિલ, ઉચ્ચ-ચોકસાઇવાળા ધાતુના ઘટકોની માંગ કરે છે. આ વિશ્લેષણ આ જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવામાં આધુનિક 5-અક્ષ કમ્પ્યુટર ન્યુમેરિકલ કંટ્રોલ (CNC) મશીનિંગની ક્ષમતાઓનું મૂલ્યાંકન કરે છે. જટિલ ઇમ્પેલર્સ અને ટર્બાઇન બ્લેડના પ્રતિનિધિ બેન્ચમાર્ક ભૂમિતિનો ઉપયોગ કરીને, એરોસ્પેસ-ગ્રેડ ટાઇટેનિયમ (Ti-6Al-4V) અને સ્ટેનલેસ સ્ટીલ (316L) પર પરંપરાગત 3-અક્ષ પદ્ધતિઓ વિરુદ્ધ 5-અક્ષની તુલનામાં મશીનિંગ ટ્રાયલ હાથ ધરવામાં આવી હતી. પરિણામો 5-અક્ષ પ્રક્રિયા સાથે મશીનિંગ સમયમાં 40-60% ઘટાડો અને સપાટીની ખરબચડી (Ra) માં 35% સુધીનો સુધારો દર્શાવે છે, જે ઘટાડેલા સેટઅપ્સ અને ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ ટૂલ ઓરિએન્ટેશનને આભારી છે. ±0.025mm સહિષ્ણુતામાં સુવિધાઓ માટે ભૌમિતિક ચોકસાઈ સરેરાશ 28% વધી છે. નોંધપાત્ર અપફ્રન્ટ પ્રોગ્રામિંગ કુશળતા અને રોકાણની જરૂર હોવા છતાં, 5-અક્ષ મશીનિંગ શ્રેષ્ઠ કાર્યક્ષમતા અને પૂર્ણાહુતિ સાથે અગાઉ અસંભવિત ભૂમિતિઓના વિશ્વસનીય ઉત્પાદનને સક્ષમ બનાવે છે. આ ક્ષમતાઓ 5-અક્ષ ટેકનોલોજીને ઉચ્ચ-મૂલ્ય, જટિલ કસ્ટમ મેટલ ભાગ ફેબ્રિકેશન માટે આવશ્યક તરીકે સ્થાન આપે છે.

૧. પરિચય
એરોસ્પેસ (હળવા, મજબૂત ભાગોની માંગ), તબીબી (જૈવિક સુસંગત, દર્દી-વિશિષ્ટ ઇમ્પ્લાન્ટ્સની જરૂર), અને ઊર્જા (જટિલ પ્રવાહી-હેન્ડલિંગ ઘટકોની જરૂર) જેવા ઉદ્યોગોમાં કામગીરી ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે અવિરત ઝુંબેશએ ધાતુના ભાગોની જટિલતાની સીમાઓને આગળ ધપાવી દીધી છે. પરંપરાગત 3-અક્ષ CNC મશીનિંગ, મર્યાદિત ટૂલ ઍક્સેસ અને બહુવિધ જરૂરી સેટઅપ્સ દ્વારા મર્યાદિત, જટિલ રૂપરેખાઓ, ઊંડા પોલાણ અને સંયોજન ખૂણાઓની જરૂર હોય તેવી સુવિધાઓ સાથે સંઘર્ષ કરે છે. આ મર્યાદાઓના પરિણામે ચોકસાઈમાં ચેડા, ઉત્પાદન સમય વધવો, ઊંચા ખર્ચ અને ડિઝાઇન પ્રતિબંધો થાય છે. 2025 સુધીમાં, અત્યંત જટિલ, ચોકસાઇવાળા ધાતુના ભાગોને કાર્યક્ષમ રીતે બનાવવાની ક્ષમતા હવે વૈભવી નથી પરંતુ સ્પર્ધાત્મક જરૂરિયાત છે. આધુનિક 5-અક્ષ CNC મશીનિંગ, ત્રણ રેખીય અક્ષો (X, Y, Z) અને બે રોટેશનલ અક્ષો (A, B અથવા C) નું એક સાથે નિયંત્રણ પ્રદાન કરે છે, એક પરિવર્તનશીલ ઉકેલ રજૂ કરે છે. આ ટેકનોલોજી કટીંગ ટૂલને એક જ સેટઅપમાં વર્ચ્યુઅલ રીતે કોઈપણ દિશામાંથી વર્કપીસ સુધી પહોંચવાની મંજૂરી આપે છે, મૂળભૂત રીતે 3-અક્ષ મશીનિંગમાં રહેલી ઍક્સેસ મર્યાદાઓને દૂર કરે છે. આ લેખ કસ્ટમ મેટલ પાર્ટ ઉત્પાદન માટે 5-અક્ષ મશીનિંગની ચોક્કસ ક્ષમતાઓ, માત્રાત્મક ફાયદાઓ અને વ્યવહારુ અમલીકરણ વિચારણાઓની તપાસ કરે છે.

2. પદ્ધતિઓ
૨.૧ ડિઝાઇન અને બેન્ચમાર્કિંગ
કસ્ટમ મેન્યુફેક્ચરિંગમાં સામાન્ય પડકારોને સમાવિષ્ટ કરીને, સિમેન્સ NX CAD સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને બે બેન્ચમાર્ક ભાગો ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા હતા:

ઇમ્પેલર:ઉચ્ચ પાસા ગુણોત્તર અને ચુસ્ત ક્લિયરન્સ સાથે જટિલ, ટ્વિસ્ટેડ બ્લેડ દર્શાવતા.

ટર્બાઇન બ્લેડ:સંયોજન વક્રતા, પાતળી દિવાલો અને ચોકસાઇથી માઉન્ટિંગ સપાટીઓનો સમાવેશ.
આ ડિઝાઇનમાં ઇરાદાપૂર્વક અંડરકટ્સ, ઊંડા ખિસ્સા અને નોન-ઓર્થોગોનલ ટૂલ એક્સેસની જરૂર હોય તેવી સુવિધાઓનો સમાવેશ કરવામાં આવ્યો હતો, ખાસ કરીને 3-અક્ષ મશીનિંગની મર્યાદાઓને લક્ષ્ય બનાવતા.

૨.૨ સામગ્રી અને સાધનો

સામગ્રી:એરોસ્પેસ-ગ્રેડ ટાઇટેનિયમ (Ti-6Al-4V, એનિલ કરેલી સ્થિતિ) અને 316L સ્ટેનલેસ સ્ટીલને તેમની માંગણીપૂર્ણ એપ્લિકેશનો અને વિશિષ્ટ મશીનિંગ લાક્ષણિકતાઓમાં સુસંગતતા માટે પસંદ કરવામાં આવ્યા હતા.

મશીનો:

૫-અક્ષ:ડીએમજી મોરી ડીએમયુ 65 મોનોબ્લોક (હેઇડનહેન ટીએનસી 640 નિયંત્રણ).

૩-અક્ષ:HAAS VF-4SS (HAAS NGC નિયંત્રણ).

ટૂલિંગ:કેન્નામેટલ અને સેન્ડવિક કોરોમેન્ટના કોટેડ સોલિડ કાર્બાઇડ એન્ડ મિલ્સ (વિવિધ વ્યાસ, બોલ-નોઝ અને ફ્લેટ-એન્ડ) નો ઉપયોગ રફિંગ અને ફિનિશિંગ માટે કરવામાં આવ્યો હતો. કટીંગ પરિમાણો (ઝડપ, ફીડ, કટની ઊંડાઈ) ને ટૂલ ઉત્પાદક ભલામણો અને નિયંત્રિત પરીક્ષણ કટનો ઉપયોગ કરીને સામગ્રી અને મશીન ક્ષમતાઓ અનુસાર ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યા હતા.

કાર્યસ્થળ:કસ્ટમ, ચોક્કસ રીતે મશિન કરેલા મોડ્યુલર ફિક્સર બંને પ્રકારના મશીનો માટે કઠોર ક્લેમ્પિંગ અને પુનરાવર્તિત સ્થાન સુનિશ્ચિત કરે છે. 3-અક્ષીય ટ્રાયલ માટે, પરિભ્રમણની જરૂર હોય તેવા ભાગોને ચોકસાઇ ડોવેલનો ઉપયોગ કરીને મેન્યુઅલી ફરીથી સ્થાન આપવામાં આવ્યું હતું, જે લાક્ષણિક શોપ ફ્લોર પ્રેક્ટિસનું અનુકરણ કરે છે. 5-અક્ષીય ટ્રાયલ્સમાં એક જ ફિક્સ્ચર સેટઅપમાં મશીનની સંપૂર્ણ પરિભ્રમણ ક્ષમતાનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.

૨.૩ ડેટા સંપાદન અને વિશ્લેષણ

ચક્ર સમય:મશીન ટાઈમરથી સીધા માપવામાં આવે છે.

સપાટીની ખરબચડીતા (Ra):મિટુટોયો સર્ફેસ્ટ SJ-410 પ્રોફાઇલમીટરનો ઉપયોગ કરીને દરેક ભાગ માટે પાંચ મહત્વપૂર્ણ સ્થાનો પર માપન કરવામાં આવ્યું. દરેક સામગ્રી/મશીન સંયોજન માટે ત્રણ ભાગોને મશિન કરવામાં આવ્યા હતા.

ભૌમિતિક ચોકસાઈ:Zeiss CONTURA G2 કોઓર્ડિનેટ મેઝરિંગ મશીન (CMM) નો ઉપયોગ કરીને સ્કેન કરવામાં આવ્યું. CAD મોડેલો સાથે જટિલ પરિમાણો અને ભૌમિતિક સહિષ્ણુતા (સપાટતા, લંબ, પ્રોફાઇલ) ની તુલના કરવામાં આવી.

આંકડાકીય વિશ્લેષણ:ચક્ર સમય અને Ra માપન માટે સરેરાશ મૂલ્યો અને પ્રમાણભૂત વિચલનોની ગણતરી કરવામાં આવી હતી. નજીવા પરિમાણો અને સહિષ્ણુતા પાલન દરોથી વિચલન માટે CMM ડેટાનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું.

કોષ્ટક 1: પ્રાયોગિક સેટઅપ સારાંશ

3. પરિણામો અને વિશ્લેષણ
૩.૧ કાર્યક્ષમતામાં વધારો
5-અક્ષ મશીનિંગથી સમયની નોંધપાત્ર બચત થઈ. ટાઇટેનિયમ ઇમ્પેલર માટે, 5-અક્ષ પ્રોસેસિંગથી 3-અક્ષ મશીનિંગ (2.1 કલાક વિરુદ્ધ 5.0 કલાક) ની સરખામણીમાં ચક્ર સમય 58% ઓછો થયો. સ્ટેનલેસ સ્ટીલ ટર્બાઇન બ્લેડમાં 42% ઘટાડો (1.8 કલાક વિરુદ્ધ 3.1 કલાક) જોવા મળ્યો. આ લાભો મુખ્યત્વે બહુવિધ સેટઅપ્સ અને સંકળાયેલ મેન્યુઅલ હેન્ડલિંગ/રી-ફિક્સચરિંગ સમયને દૂર કરવાથી અને ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ ટૂલ ઓરિએન્ટેશનને કારણે લાંબા, સતત કાપ સાથે વધુ કાર્યક્ષમ ટૂલપાથને સક્ષમ કરવાથી પરિણમ્યા હતા.

૩.૨ સપાટી ગુણવત્તા સુધારણા
5-અક્ષ મશીનિંગ સાથે સપાટીની ખરબચડીતા (Ra) માં સતત સુધારો થયો. ટાઇટેનિયમ ઇમ્પેલરની જટિલ બ્લેડ સપાટીઓ પર, સરેરાશ Ra મૂલ્યોમાં 32% (0.8 µm વિરુદ્ધ 1.18 µm) ઘટાડો થયો. સ્ટેનલેસ સ્ટીલ ટર્બાઇન બ્લેડ પર પણ સમાન સુધારા જોવા મળ્યા (Ra માં 35% ઘટાડો થયો, સરેરાશ 0.65 µm વિરુદ્ધ 1.0 µm). આ સુધારો ટૂંકા ટૂલ એક્સટેન્શનમાં વધુ સારી ટૂલ કઠોરતા દ્વારા સતત, શ્રેષ્ઠ કટીંગ સંપર્ક કોણ જાળવવાની ક્ષમતા અને ટૂલ વાઇબ્રેશનમાં ઘટાડો થવાને આભારી છે.

૩.૩ ભૌમિતિક ચોકસાઈ વૃદ્ધિ
CMM વિશ્લેષણે 5-અક્ષ પ્રક્રિયા સાથે શ્રેષ્ઠ ભૌમિતિક ચોકસાઈની પુષ્ટિ કરી. કડક ±0.025mm સહિષ્ણુતામાં રાખવામાં આવેલા મહત્વપૂર્ણ લક્ષણોની ટકાવારી નોંધપાત્ર રીતે વધી: ટાઇટેનિયમ ઇમ્પેલર માટે 30% (62% અનુપાલન વિરુદ્ધ 92%) અને સ્ટેનલેસ સ્ટીલ બ્લેડ માટે 26% (63% અનુપાલન વિરુદ્ધ 89%). આ સુધારો સીધો બહુવિધ સેટઅપ્સ દ્વારા રજૂ કરાયેલ સંચિત ભૂલોને દૂર કરવાથી અને 3-અક્ષ પ્રક્રિયામાં જરૂરી મેન્યુઅલ રિપોઝિશનિંગથી ઉદ્ભવે છે. કમ્પાઉન્ડ એંગલની માંગ કરતી સુવિધાઓએ સૌથી નાટકીય ચોકસાઈ લાભો દર્શાવ્યા.

*આકૃતિ 1: તુલનાત્મક પ્રદર્શન મેટ્રિક્સ (5-અક્ષ વિરુદ્ધ 3-અક્ષ)*

૪. ચર્ચા
પરિણામો જટિલ કસ્ટમ મેટલ ભાગો માટે 5-અક્ષ મશીનિંગના તકનીકી ફાયદાઓને સ્પષ્ટપણે સ્થાપિત કરે છે. ચક્ર સમયમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો સીધો પ્રતિ-ભાગ ખર્ચમાં ઘટાડો અને ઉત્પાદન ક્ષમતામાં વધારો તરફ દોરી જાય છે. સુધારેલ સપાટી પૂર્ણાહુતિ હાથ પોલિશિંગ જેવા ગૌણ અંતિમ કામગીરીને ઘટાડે છે અથવા દૂર કરે છે, ખર્ચ અને લીડ સમયને વધુ ઘટાડે છે જ્યારે ભાગ સુસંગતતામાં વધારો કરે છે. એરોસ્પેસ એન્જિન અથવા તબીબી ઇમ્પ્લાન્ટ જેવા ઉચ્ચ-પ્રદર્શન એપ્લિકેશનો માટે ભૌમિતિક ચોકસાઈમાં છલાંગ મહત્વપૂર્ણ છે, જ્યાં ભાગ કાર્ય અને સલામતી સર્વોપરી છે.

આ ફાયદા મુખ્યત્વે 5-અક્ષ મશીનિંગની મુખ્ય ક્ષમતામાંથી ઉદ્ભવે છે: એક સાથે બહુ-અક્ષ ચળવળ સિંગલ-સેટઅપ પ્રક્રિયાને સક્ષમ કરે છે. આ સેટઅપ-પ્રેરિત ભૂલો અને હેન્ડલિંગ સમયને દૂર કરે છે. વધુમાં, સતત શ્રેષ્ઠ ટૂલ ઓરિએન્ટેશન (આદર્શ ચિપ લોડ અને કટીંગ ફોર્સ જાળવી રાખવા) સપાટીની પૂર્ણાહુતિને વધારે છે અને જ્યાં ટૂલ કઠોરતા પરવાનગી આપે છે ત્યાં વધુ આક્રમક મશીનિંગ વ્યૂહરચનાઓને મંજૂરી આપે છે, જે ગતિમાં વધારો કરવામાં ફાળો આપે છે.

જોકે, વ્યવહારુ અપનાવવા માટે મર્યાદાઓને સ્વીકારવી જરૂરી છે. સક્ષમ 5-અક્ષ મશીન અને યોગ્ય ટૂલિંગ માટે મૂડી રોકાણ 3-અક્ષ સાધનો કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. પ્રોગ્રામિંગ જટિલતા ઝડપથી વધે છે; કાર્યક્ષમ, અથડામણ-મુક્ત 5-અક્ષ ટૂલપાથ બનાવવા માટે અત્યંત કુશળ CAM પ્રોગ્રામર્સ અને અત્યાધુનિક સોફ્ટવેરની જરૂર પડે છે. મશીનિંગ પહેલાં સિમ્યુલેશન અને ચકાસણી ફરજિયાત પગલાં બની જાય છે. ફિક્સરિંગે સંપૂર્ણ રોટેશનલ મુસાફરી માટે કઠોરતા અને પૂરતી મંજૂરી બંને પ્રદાન કરવી જોઈએ. આ પરિબળો ઓપરેટરો અને પ્રોગ્રામર્સ માટે જરૂરી કૌશલ્ય સ્તરને વધારે છે.

વ્યવહારુ અર્થ સ્પષ્ટ છે: 5-અક્ષ મશીનિંગ ઉચ્ચ-મૂલ્ય, જટિલ ઘટકો માટે શ્રેષ્ઠ છે જ્યાં ગતિ, ગુણવત્તા અને ક્ષમતામાં તેના ફાયદા ઉચ્ચ ઓપરેશનલ ઓવરહેડ અને રોકાણને યોગ્ય ઠેરવે છે. સરળ ભાગો માટે, 3-અક્ષ મશીનિંગ વધુ આર્થિક રહે છે. સફળતા મજબૂત CAM અને સિમ્યુલેશન ટૂલ્સ સાથે ટેકનોલોજી અને કુશળ કર્મચારીઓ બંનેમાં રોકાણ પર આધારિત છે. મેન્યુફેક્ચરેબિલિટી (DFM) માટે ભાગો ડિઝાઇન કરતી વખતે 5-અક્ષ ક્ષમતાઓનો સંપૂર્ણ લાભ લેવા માટે ડિઝાઇન, મેન્યુફેક્ચરિંગ એન્જિનિયરિંગ અને મશીન શોપ વચ્ચે પ્રારંભિક સહયોગ મહત્વપૂર્ણ છે.

૫. નિષ્કર્ષ
આધુનિક 5-અક્ષ CNC મશીનિંગ પરંપરાગત 3-અક્ષ પદ્ધતિઓની તુલનામાં જટિલ, ઉચ્ચ-ચોકસાઇવાળા કસ્ટમ મેટલ ભાગોના ઉત્પાદન માટે એક સ્પષ્ટપણે શ્રેષ્ઠ ઉકેલ પૂરો પાડે છે. મુખ્ય તારણો પુષ્ટિ કરે છે:

નોંધપાત્ર કાર્યક્ષમતા:સિંગલ-સેટઅપ મશીનિંગ અને ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ ટૂલપાથ દ્વારા ચક્ર સમયમાં 40-60% ઘટાડો.

સુધારેલી ગુણવત્તા:શ્રેષ્ઠ ટૂલ ઓરિએન્ટેશન અને સંપર્કને કારણે સપાટીની ખરબચડીતા (Ra) માં 35% સુધીનો સુધારો.

શ્રેષ્ઠ ચોકસાઈ:±0.025mm ની અંદર મહત્વપૂર્ણ ભૌમિતિક સહિષ્ણુતા રાખવામાં સરેરાશ 28% નો વધારો, બહુવિધ સેટઅપમાંથી ભૂલો દૂર કરે છે.
આ ટેકનોલોજી જટિલ ભૂમિતિઓ (ઊંડા પોલાણ, અંડરકટ્સ, સંયોજન વળાંકો) નું ઉત્પાદન સક્ષમ બનાવે છે જે 3-અક્ષ મશીનિંગ સાથે અવ્યવહારુ અથવા અશક્ય છે, જે એરોસ્પેસ, તબીબી અને ઊર્જા ક્ષેત્રોની વિકસતી માંગને સીધી રીતે સંબોધિત કરે છે.

5-અક્ષ ક્ષમતામાં રોકાણ પર મહત્તમ વળતર મેળવવા માટે, ઉત્પાદકોએ ઉચ્ચ-જટિલતા, ઉચ્ચ-મૂલ્યવાળા ભાગો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવું જોઈએ જ્યાં ચોકસાઇ અને લીડ સમય મહત્વપૂર્ણ સ્પર્ધાત્મક પરિબળો છે. ભવિષ્યના કાર્યમાં રીઅલ-ટાઇમ ગુણવત્તા નિયંત્રણ અને ક્લોઝ્ડ-લૂપ મશીનિંગ માટે ઇન-પ્રોસેસ મેટ્રોલોજી સાથે 5-અક્ષ મશીનિંગના એકીકરણનું અન્વેષણ કરવું જોઈએ, જે ચોકસાઇને વધુ વધારશે અને સ્ક્રેપ ઘટાડશે. ઇન્કોનેલ અથવા કઠણ સ્ટીલ્સ જેવી મુશ્કેલ-થી-મશીન સામગ્રી માટે 5-અક્ષ લવચીકતાનો લાભ લેતી અનુકૂલનશીલ મશીનિંગ વ્યૂહરચનાઓમાં સતત સંશોધન પણ એક મૂલ્યવાન દિશા રજૂ કરે છે.