컨텐츠 메뉴
● 소개
● 핵심 성과 지표
● 최적화 전략
● 결론
● Q & A
● 참조
항공 우주 터빈 블레이드, 의료 임플란트 또는 공차가 긴 자동차 부품과 같은 복잡한 부품을 제조하는 것은 정밀, 속도 및 비용의 균형을 맞추고 있습니다. 다축과 사이의 선택 3 축 가공 시스템은 프로젝트의 성공에 큰 영향을 줄 수 있습니다. x, y 및 z 축을 따라 선형 이동이있는 3 축 기계는 오랫동안 단순성과 신뢰성을위한 워크샵의 필수품이었습니다. 다축 시스템 (일반적으로 4 축 또는 5 축)은 회전 기능을 추가하여 복잡한 지오메트리를 더 적은 설정으로 가공하지만 더 높은 비용과 복잡성으로 가공 할 수 있도록합니다. 이 기사는 복잡한 프로파일의 가공주기를 최적화 할 때 이러한 시스템이 사이클 시간, 공구 마모, 표면 품질 및 에너지 효율에 중점을 둔 방법을 탐구합니다. Semantic Scholar 및 Google Scholar에 대한 최근 연구의 통찰력을 사용하여 제조 엔지니어가 정보에 입각 한 결정을 내릴 수 있도록 실제 사례와 대화하면서도 기술적 인 분석을 제공합니다.
목표는 의 연구와 같은 실제 응용 프로그램 및 연구를 바탕으로 복잡한 부품에 대한 시스템을 명확히하는 것입니다 국제 고급 제조 기술 저널 (Journal of Advanced Manufacturing Technology) 및 제조 공정 저널 (Journal of Manufacturing Processes) . 터빈 블레이드 나 금형을 가공하든이 비교는 트레이드 오프를 강조하여 선택을 안내합니다.
가공주기 최적화는 품질을 희생하지 않고 효율성을 극대화하는 것입니다. 설계 사양을 충족하는 동안 미세 조정주기 시간, 공구 수명, 표면 마감 및 에너지 사용이 포함됩니다. 항공 우주 또는 의료 구성 요소와 같은 복잡한 프로파일은 복잡한 모양, 단단한 공차 및 종종 티타늄 또는 Inconel과 같은 도전적인 재료로 인해 수정 정밀도입니다. 기계, 공구 경로 및 절단 매개 변수의 선택은 이러한 목표를 달성하는 데 중요한 역할을합니다.
3 축 기계는 X, Y 및 Z 축을 따라 선형으로 움직여 평평하거나 프리즘 형상이있는 부품에 이상적입니다. 간단한 설정은 밀링 슬롯, 드릴링 또는 윤곽선 표면과 같은 작업에 적합합니다. 비용 효율적이고 널리 사용되지만 복잡한 모양에는 종종 여러 설정이 필요하므로 생산이 느려질 수 있습니다.
예 1 : 자동차 기어 박스 하우징 알루미늄 합금으로 만든 기어 박스 하우징은 고전적인 3 축 작업입니다. 의 연구는 Journal of Manufacturing Processes (2021) 이러한 부품에 대한 최적화 된 밀링 매개 변수를 최적화하여 0.3 mm/Rev의 공급 속도와 180 m/min의 절단 속도를 사용합니다. 이 사이클 시간이 12%감소하여 RA 1.8 µm의 표면 거칠기를 달성했습니다. 그러나 언더컷에는 프로세스에 8 분을 추가하여 복잡한 프로파일의 주요 제한을 강조했습니다.
예 2 : 플라스틱 부품의 금형베이스는 주입 성형을위한 금형 기저부는 종종 3 축 시스템에 가공됩니다. ( Cleaner Production Study의 저널 2022)은 강철 금형베이스를 강철 금형베이스를 밀링하여 12mm 엔드 밀과 마무리를 위해 5mm 볼 코 커터를 설명했습니다. 사이클 시간은 50 분으로 고속 가공 기술에 의해 최적화되었습니다. 그러나 복잡한 윤곽에는 두 개의 설정이 필요했으며 총 시간이 15%증가했습니다.
다축 기계, 일반적으로 4 축 또는 5 축, 선형 이동에 회전 축 (A, B 또는 C)을 추가하여 도구가 여러 각도에서 워크 피스에 접근 할 수 있도록합니다. 이는 단일 설정으로 가공 된 곡선, 언더컷 또는 3D 지오메트리가있는 복잡한 프로파일에 적합하여 오류 및 시간을 줄입니다.
예 1 : 비틀어진 에어 포일 모양의 항공 우주 터빈 블레이드 터빈 블레이드는 다축 가공의 혜택을받습니다. ( 중국 기계 공학 연구 저널 2023) 상세 5 축제 . TI-6AL-4V 블레이드의 이 기계의 B 축 회전은 블레이드 곡률을 따라 연속 절단을 허용했으며, 3 축 (80 ~ 64 분)에 비해 사이클 시간을 20% 절단했습니다. 표면 마감은 RA 0.9 µm에 도달했으며 최적화 된 공구 각도로 인해 공구 마모가 감소했습니다.
예 2 : 의료 무릎 임플란트 코발트-크롬 무릎 임플란트는 에보고 된 바와 같이 5 축 시스템에 가공되었습니다 . 재료 및 제조 공정 (2022) 단일 설정 프로세스는 3 축 시스템에서 3 축 시스템에서 55 분에 비해 35 분이 걸렸습니다. 표면 거칠기는 RA 0.6 µm였으며, 절단력이 낮아 공구 수명이 15% 향상되었습니다. 그러나 CAM 프로그래밍은 3 축의 3 시간에 비해 9 시간이 걸렸습니다.
3 축 및 다축 시스템을 비교하기 위해, 복잡한 프로파일 가공을위한 크리티컬 요인 인 사이클 시간, 공구 마모, 표면 품질 및 에너지 효율을 평가할 것입니다.
사이클 시간에는 절단, 공구 변경 및 설정이 포함됩니다. 3 축 기계는 종종 복잡한 부품에 대한 여러 설정이 필요하므로 절단 시간이 증가합니다. 다축 시스템은 설정을 줄이지 만 복잡한 도구 경로 계획이 필요합니다.
3 축 예 : 스틸 브래킷 각진 기능을 갖춘 강철 브래킷을 3 축 방황에 가공하여 청정 생산 연구 저널 (2022)에 따라 55 분이 걸렸습니다. 언더컷의 재배치가 12 분이 추가되었습니다. 피드 속도 (0.2 mm/rev) 및 스핀들 속도 (1400 rpm) 최적화 8 분 삭감이지만 설정 시간은 여전히 도전했습니다.
다축 예제 : 압축기 임펠러 에 따르면 5 축 기계는 3 축 시스템에서 65 분에 38 분 안에 압축기 임펠러를 가공했습니다 . 국제 Advanced Manufacturing Technology (2023) 연속 공구 경로는 공기 절단을 줄이고 효율성이 35%증가했습니다.
도구 마모는 특히 힘든 재료의 비용과 품질에 영향을 미칩니다. 고정 공구 각도로 인해 3 축 시스템이 마모가 고르지 않을 수있는 반면, 다축 기계는 마모를 최소화하기 위해 방향을 조정합니다.
3 축 예 : 3 축 기계의 Inconel Part Milling Inconel 718은 빠른 도구 마모를 일으켰으며, 에 따라 0.4mm 측면 마모가 발생하기 18 분 전에 카바이드 도구가 발생했습니다 . 제조 공정 저널 (2021) 절단 속도를 45m/분으로 줄이는 도구 수명을 25 분으로 줄이지 만주기 시간을 10%증가시켰다.
다축 예 : 티타늄 구성 요소 5 축 기계 가공 TI-6AL-4V 사용 도구 틸팅을 사용하여 마모를 줄이고, 재료 및 제조 공정 에 따라 도구 수명을 40 분으로 확장합니다 (2022). 최적화 된 각도가 열 및 기계적 응력을 낮추기 때문에 이것은 3 축보다 22% 더 우수했습니다.
표면 품질은 항공 우주 또는 의료 응용 분야의 복잡한 프로파일에 중요합니다. 3 축 기계는 복잡한 윤곽에 도구 자국을 남길 수 있으며, 다축 시스템은 연속 경로를 통해 더 매끄러운 마감을 달성 할 수 있습니다.
3 축 예 : 알루미늄 다이 3 축 시스템에 가공 된 알루미늄 다이는 청정 생산 연구 저널 (2022)에 따라 RA 1.4 µm을 달성했습니다. 도구 경로 단계는 가시 표시를 일으켜 사양을 충족시키기 위해 4 시간의 연마가 필요했습니다.
다축 예 : 터빈 디스크 5 축 기계 가공 터빈 디스크 가공 된 Turbine Disk가 RA 0.7 µm을 달성 했습니다 . 연속 공구 경로는 마크를 제거하여 마무리 시간을 60%줄였습니다.
지속 가능한 제조에 에너지 사용 문제. 3 축 기계는 더 간단하고 전력이 튼튼하지만 다축 시스템은주기 시간과 설정을 줄임으로써 에너지를 절약 할 수 있습니다.
3 축 예 : 강철 부품은 3 축 기계에 강철 부품을 가공 한 11kWh를 사용했다 . 매개 변수 최적화 (1200 rpm, 0.15 mm/Rev)는 12% 에너지를 절약했지만 설정시 유휴 시간은 제한된 이익을 얻었습니다.
다축 예 : 복잡한 브래킷 에 따라 7.5kWh를 사용한 브래킷을 가공하는 5 축 기계 가공 . 국제 고급 제조 기술 저널 (2023) 더 적은 설정과 최적화 된 경로는 3 축에 비해 에너지 사용을 18% 줄입니다.
실제 사례를 검토하여 최근의 저널 연구에서 이러한 시스템의 수행 방식을 확인해 봅시다.
( 중국 기계 공학 연구 저널 2023)은 TI-6AL-4V 터빈 블레이드의 5 축 가공을 분석했습니다. 동시 5 축 운동은 사이클 시간이 85 분 (3 축, 다중 설정)에서 62 분으로 줄었습니다. 표면 거칠기는 1.6 µm에서 RA 0.8 µm로 개선되었고 공구 수명은 25%증가했습니다. 더 적은 설정으로 인해 에너지 사용이 12% 감소했습니다. 그러나 복잡성을 프로그래밍하면 CAM 준비에 10 시간이 추가되었습니다.
( Cleaner Production Study의 저널 2022)은 알루미늄 전송 부분의 3 축 가공을 조사했습니다. 프리즘 형태는 3 축 밀링에 적합했으며, 공급 속도 (0.28 mm/Rev) 및 속도 (220 m/min)를 최적화 한 후 48 분의 사이클 시간이되었습니다. 표면 품질은 RA 1.7 µm이지만 언더컷에는 추가 설정이 필요했으며 10 분이 더 걸렸습니다. 에너지 사용은 8.5kWh로, 유휴 시간으로 인해 유사한 부품의 경우 다축보다 높았습니다.
재료 및 제조 공정 연구 (2022)는 코발트-크롬 고관절 임플란트 가공을 비교했습니다. 5 축제 가공은 한 번의 설정에서 32 분, 2 개의 설정으로 3 축에 대해 52 분이 걸렸습니다. 표면 거칠기는 Ra 0.5 µm (5 축) 대 1.1 µm (3 축)이었다. 도구 수명은 20% 향상되었으며 에너지 사용은 15% (7kwh 대 8.2kWh) 하락했습니다. 단일 세트 접근 방식은이 복잡한 부분에 대해 다축성이 우수하게 만들었습니다.
3 축 기계는 언더컷 또는 각진 기능이 필요한 복잡한 프로파일로 어려움을 겪고 있습니다. 전송 부품 케이스에서 볼 수 있듯이 여러 설정은 사이클 시간을 증가시키고 위험을 잘못 정렬시킵니다. 프로그래밍은 더 간단하지만 Inconel 연구에서 볼 수 있듯이 어려운 재료의 경우 도구 마모가 더 높습니다.
다축 시스템은 복잡한 모양을 위해 탁월하지만 숙련 된 프로그래머와 고급 소프트웨어가 필요합니다. 터빈 블레이드 케이스는 10 시간의 캠 타임을 강조했습니다. 추가 축으로 인해 유지 보수도 비용이 많이 듭니다. 국제 Advanced Manufacturing Technology Study (2023)는 교정이 무시되면 운동 학적 오류가 정확도를 줄일 수 있다고 지적했다.
3 축 기계는 $ 40,000 ~ $ 90,000이므로 소규모 상점이 이용할 수 있습니다. 다축 시스템은 유지 보수 및 교육 비용이 높을수록 $ 120,000 ~ $ 450,000입니다. 중국 기계 공학 저널 (2023)은 효율성으로 인해 고가 부품에서 다축 시스템이 15-25%를 절약하지만 ROI는 생산량에 따라 다릅니다.
3 축의 경우 비 절단 이동을 최소화하는 것이 중요합니다. ( Cleaner Production Study의 저널 2022)은 Taguchi 방법을 사용하여 경로를 최적화하고주기 시간을 10%절단했습니다. 다축의 경우 부드럽고 연속적인 경로가 중요합니다. 국제 Advanced Manufacturing Technology Study (2023)는 입자 떼 최적화를 사용하여주기 시간을 18%줄였습니다.
3 축 Journal of Manufacturing Processes Study (2021)에 따라 단단한 재료에 대한 보수적 인 매개 변수 (예 : Inconel의 경우 40-80 m/min)의 이점이 있습니다. 다축은 터빈 블레이드 케이스에서 볼 수 있듯이 동적 공구 각도로 고속 (120–180m/min)을 허용하며 속도 및 공구 수명 균형을 잡습니다.
디지털 쌍둥이와 AI는 두 시스템을 모두 향상시킵니다. ( 중국 기계 공학 연구 저널 2023)은 디지털 트윈을 사용하여 5 축 거칠기를 예측하여 RA 0.7 µm을 달성했습니다. 3 축의 경우 AI 구동 유지 보수는 A Cleaner Production Study (2022)에 따라 다운 타임을 8%줄였습니다.
복잡한 프로파일에 대한 3 축 및 다축 가공을 결정하는 것은 부품의 복잡성, 예산 및 생산 요구에 따라 다릅니다. 3 축 기계는 곰팡이베이스 나 전송 부품과 같은 단순한 모양에 대해 저렴하고 신뢰할 수 있지만 복잡한 형상으로 어려움을 겪으므로 시간과 오류 위험을 증가시키는 여러 설정이 필요합니다. 다축 시스템, 특히 5 축 시스템은 터빈 블레이드 또는 임플란트와 같은 복잡한 프로파일, 20-35% 절단, 표면 품질 향상 (RA 0.5–0.9 µm 대 1.1–1.8 µm) 및 12–18% 에너지를 절약 할 수 있습니다. 의 연구는 중국 기계 공학 저널 (2023)과 국제 고급 제조 기술 (2023) 항공 우주 및 의료 응용 분야의 다축 장점을 확인하는 반면, 자동차 환경에서는 프리즘 부품에 대해서는 3 축이 실용적으로 유지됩니다.
고 부가가치의 경우 복잡한 부품의 경우 더 높은 비용과 프로그래밍 요구에도 불구하고 다 축은 종종 더 나은 투자입니다. 단순하거나 대량 저용량 작업을 위해 3 축은 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 최적화 - 도구 경로 계획, 파라미터 튜닝 및 AI와 같은 디지털 도구를 통해 두 시스템을 더욱 푸시 할 수 있습니다. 엔지니어는 부분 형상, 생산량 및 리소스의 무게를 측정하여 올바른 시스템을 선택하여 점점 경쟁이 치열한 제조 환경에서 효율성과 품질을 보장해야합니다.
Q1 : 복잡한 프로파일의 다축보다 3 축제 가공은 언제 더 나은가?
A : 3 축은 단순한 형상이 복잡한 공구 각도가 필요하지 않은 금형베이스 나 브래킷과 같은 프리즘 부품에 이상적입니다. 복잡한 3D 모양에 적합한 다축과 달리 소규모 상점이나 저용량 달리기의 비용 효율적입니다.
Q2 : 3 축에 비해 다축을 절약 할 수있는 사이클 시간은 얼마입니까?
A : 단일 세트 업 가공 및 연속 공구 경로로 인해 터빈 블레이드 및 임플란트 연구에 표시된 것처럼 복잡한 부품의 경우 다축 시간이 20-35% 감소 할 수 있습니다.
Q3 : 다축은 항상 더 나은 표면 품질을 생성합니까?
A : 일반적으로 그렇습니다. 다축은 중국 기계 공학 저널 (2023)에 따라 최적의 공구 각도를 유지함으로써 복잡한 프로파일에 대해 RA 0.5–0.9 µm을 달성하며, 3 축에는 공구 표시로 인해 추가 마무리가 필요할 수 있습니다.
Q4 : 다축 시스템의 비용 문제는 얼마입니까?
A : 다축 기계 비용은 $ 120,000 ~ $ 450,000, 3 축에 대해 $ 40,000– $ 90,000입니다. 또한 고급 소프트웨어 및 숙련 된 운영자가 필요하므로 설정 및 유지 보수 비용이 증가합니다.
Q5 : 디지털 도구는 어떻게 가공 효율성을 향상 시키는가?
A : Digital Twins는 도구 경로를 최적화하고 두 시스템의 품질을 예측하는 반면 AI는 다운 타임을 줄입니다 (3 축의 8%, Journal of Cleaner Production , 2022). 응용 프로그램에서 정밀도와 효율성을 향상시킵니다.
제목 : 효율적인 가공 간격 저널 :
AIP 회의 절차 게시
날짜 : 2018 주요 결과 : 2018 주요 결과 : 2018
주요 연구 결과 : 다양한 표면 영역에서 도구 경로를 생성하기 위해 Toroidal Milling 도구를 사용하여 제안 된 새로운 방법, 프리-폼 표면 도구를 사용하여 토로이드 밀링 절단기에서 도구를 생성하기 위해 Toroidal Milling 도구를 사용하여 제안 된 새로운 방법
: 프리-폼 마킹 방법을 기반으로 한 표면 분할을 보여줍니다. 최적의 사료 방향 및 CAM 소프트웨어
인용과의 비교 검증 : Duy-Duc VU, Frédéric Monies, Walter Rubio, 2018, AIP Conference Proceedings 1960, 070011
페이지 범위 : 1960 (1) : 070011
URL : https://pubs.aip.org/aip/acp/article/1960/1/070011/887408/a-new-optimization-tool-path-planning-for-3- 축
제목 : TC11 티타늄 합금 오픈 통합 마이크로 임펠러 저널의 다축 CNC 마감 및 표면 거칠기 예측
: 기계 공학 간행물의 발전
날짜 : 2024 년 4 월 24 일
주요 결과 : 지정된 평면에 대한 공구 축 제어를 갖는 고정 된 윤곽선 정상 방향에 대한 변수 프로파일 밀링에서 매끄럽게 인터 폴란드 벡터에 대한 고정 된 윤곽선 밀링은 표면의 거칠기 환경에서 3.44% 감소 및 유사 요소를 보여줍니다. 실험 결과
방법 : 블레이드 마감, 변형 -3D 유한 요소 분석, TC11 티타늄 타이타늄 합금, 박스-베른 켄 설계 응답 표면 방법 및 기계 학습 예측 모델
인용에 대한 다중 물리 필드 커플 링 모델 : Haiyue Zhao, Yan Cao, Junde Guo, Biao Sun, Nan Geng, 2024
페이지 범위 : 2024 페이지 범위
. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/ 16878132241 244924
제목 : 비 구형 도구 저널을 사용하여 프리폼 표면 가공을위한 파티션 기반 3 + 2 축 도구 경로 생성
: Computational Design and Engineeration
Publication Date : 10 월
주요 결과 : 분할 기반 3 + 2- 암 전략을 통한 기존의 구면 절단기에 비해 가공 시간이 50% 이상 감소했으며, 소규모 값과 동등한 숫자를 유지하면서 최적의 분할을 유지하면 임계 값
방법 : 금속 응고 공정과 유사한 표면 분할 알고리즘, 내부 된 구체 및 Dupin Indicatrix를 사용한 공구 공사 접촉 분석, LCA (Local Cutting Area) 최대화, 공액 곡선을 통한 커널 세트 결정 및 공구 경로 생성에 대한 수정 된 TSP 접근법
: Jiancheng Hao, Zhaoyu Li, Xiangyu Li, Fubao x, Dong He, Dong, Dong He, Dong He, Xiangyu Li. 2022, 1585–1601 페이지
페이지 범위 : 9 권, 5 호, 1585–1601 페이지
URL : https://academic.oup.com/jcde/article/9/5/1585/6656372
