5 Eksenli İşleme ile Özel Metal Parça Üretimi
5 Eksenli İşleme ile Özel Metal Parça Üretimi
Yazar:PFT, Shenzhen
Soyut:Gelişmiş üretim, havacılık, tıp ve enerji sektörlerinde giderek daha karmaşık ve yüksek hassasiyetli metal bileşenler gerektiriyor. Bu analiz, modern 5 eksenli bilgisayar sayısal kontrol (CNC) işleme teknolojisinin bu gereksinimleri karşılamadaki yeteneklerini değerlendiriyor. Karmaşık pervane ve türbin kanatlarını temsil eden kıyaslama geometrileri kullanılarak, havacılık sınıfı titanyum (Ti-6Al-4V) ve paslanmaz çelik (316L) üzerinde 5 eksenli ve geleneksel 3 eksenli yöntemleri karşılaştıran işleme denemeleri yürütüldü. Sonuçlar, 5 eksenli işleme ile işleme süresinde %40-60 oranında bir azalma ve yüzey pürüzlülüğünde (Ra) %35'e varan bir iyileşme olduğunu gösteriyor; bu durum, azaltılmış kurulumlar ve optimize edilmiş takım yönelimi sayesinde mümkün. ±0,025 mm tolerans dahilindeki özellikler için geometrik doğruluk ortalama %28 arttı. Önemli miktarda ön programlama uzmanlığı ve yatırımı gerektirse de, 5 eksenli işleme, daha önce mümkün olmayan geometrilerin üstün verimlilik ve yüzey kalitesiyle güvenilir bir şekilde üretilmesini sağlıyor. Bu yetenekler, 5 eksen teknolojisini yüksek değerli, karmaşık özel metal parça üretimi için olmazsa olmaz bir konuma getiriyor.
1. Giriş
Havacılık ve uzay (daha hafif ve daha güçlü parçalar gerektiren), tıp (biyouyumlu, hastaya özel implantlar gerektiren) ve enerji (karmaşık akışkan işleme bileşenleri gerektiren) gibi sektörlerdeki performans optimizasyonuna yönelik amansız çaba, metal parça karmaşıklığının sınırlarını zorladı. Sınırlı takım erişimi ve birden fazla gerekli kurulumla kısıtlanan geleneksel 3 eksenli CNC işleme, karmaşık konturlar, derin boşluklar ve bileşik açılar gerektiren özelliklerle mücadele ediyor. Bu sınırlamalar, ödün verilen hassasiyet, uzayan üretim süreleri, daha yüksek maliyetler ve tasarım kısıtlamalarına yol açıyor. 2025 yılına gelindiğinde, son derece karmaşık ve hassas metal parçaları verimli bir şekilde üretebilme yeteneği artık bir lüks değil, rekabette bir zorunluluk haline gelecek. Üç doğrusal eksenin (X, Y, Z) ve iki dönme ekseninin (A, B veya C) aynı anda kontrolünü sağlayan modern 5 eksenli CNC işleme, dönüştürücü bir çözüm sunuyor. Bu teknoloji, kesici takımın iş parçasına neredeyse her yönden tek bir kurulumla yaklaşmasını sağlayarak, 3 eksenli işlemenin doğasında bulunan erişim sınırlamalarını temelden ortadan kaldırıyor. Bu makalede, özel metal parça üretimi için 5 eksenli işleme yönteminin özel yetenekleri, niceliksel avantajları ve pratik uygulama hususları incelenmektedir.
2. Yöntemler
2.1 Tasarım ve Karşılaştırma
Özel üretimdeki yaygın zorlukları ele alan iki adet kıyaslama parçası, Siemens NX CAD yazılımı kullanılarak tasarlandı:
Pervane:Yüksek en boy oranına ve dar boşluklara sahip karmaşık, bükülmüş kanatlara sahiptir.
Türbin Kanadı:Bileşik eğrilikler, ince duvarlar ve hassas montaj yüzeyleri içerir.
Bu tasarımlar, özellikle 3 eksenli işleme sınırlamalarını hedef alarak, alt kesimleri, derin cepleri ve ortogonal olmayan takım erişimi gerektiren özellikleri kasıtlı olarak içeriyordu.
2.2 Malzemeler ve Ekipman
Malzemeler:Zorlu uygulamalardaki uygunlukları ve farklı işleme özellikleri nedeniyle havacılık sınıfı Titanyum (Ti-6Al-4V, tavlanmış durum) ve 316L Paslanmaz Çelik seçildi.
Makineler:
5 Eksen:DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (Heidenhain TNC 640 kontrolü).
3 Eksen:HAAS VF-4SS (HAAS NGC kontrolü).
Takımlar:Kennametal ve Sandvik Coromant'ın kaplamalı katı karbür uç frezeleri (çeşitli çaplarda, küresel uçlu ve düz uçlu) kaba ve ince talaş işleme için kullanıldı. Kesme parametreleri (hız, ilerleme, kesme derinliği), takım üreticisinin önerileri ve kontrollü test kesimleri kullanılarak malzeme ve tezgah kapasitelerine göre optimize edildi.
İş tutma:Özel, hassas işlenmiş modüler fikstürler, her iki makine tipi için de sağlam bir sıkıştırma ve tekrarlanabilir konumlandırma sağladı. 3 eksenli denemelerde, dönüş gerektiren parçalar, tipik atölye uygulamalarını simüle ederek hassas dübeller kullanılarak manuel olarak yeniden konumlandırıldı. 5 eksenli denemelerde ise, tek bir fikstür kurulumunda makinenin tüm dönüş kabiliyeti kullanıldı.
2.3 Veri Toplama ve Analizi
Döngü Süresi:Makine zamanlayıcılarından doğrudan ölçülmüştür.
Yüzey Pürüzlülüğü (Ra):Parça başına beş kritik noktadan Mitutoyo Surftest SJ-410 profilometre kullanılarak ölçüm yapıldı. Malzeme/makine kombinasyonu başına üç parça işlendi.
Geometrik Doğruluk:Zeiss CONTURA G2 koordinat ölçüm cihazı (CMM) kullanılarak tarandı. Kritik boyutlar ve geometrik toleranslar (düzlük, diklik, profil) CAD modelleri ile karşılaştırıldı.
İstatistiksel Analiz:Çevrim süresi ve Ra ölçümleri için ortalama değerler ve standart sapmalar hesaplandı. CMM verileri nominal boyutlardan sapma ve tolerans uyum oranları açısından analiz edildi.
Tablo 1: Deneysel Kurulum Özeti
| Element | 5 Eksenli Kurulum | 3 Eksenli Kurulum |
|---|---|---|
| Makine | DMG MORI DMU 65 monoBLOCK (5 Eksenli) | HAAS VF-4SS (3 Eksenli) |
| Fikstürleme | Tek özel fikstür | Tek özel fikstür + manuel dönüşler |
| Kurulum Sayısı | 1 | 3 (Pervane), 4 (Türbin Kanadı) |
| CAM Yazılımı | Siemens NX CAM (Çok eksenli takım yolları) | Siemens NX CAM (3 eksenli takım yolları) |
| Ölçüm | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) | Mitutoyo SJ-410 (Ra), Zeiss CMM (Geo.) |
3. Sonuçlar ve Analiz
3.1 Verimlilik Kazanımları
5 eksenli işleme, önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlamıştır. Titanyum pervane için, 5 eksenli işleme çevrim süresini 3 eksenli işlemeye kıyasla %58 oranında azaltmıştır (2,1 saate karşı 5,0 saat). Paslanmaz çelik türbin kanadı ise %42 oranında bir azalma göstermiştir (1,8 saate karşı 3,1 saat). Bu kazanımlar, öncelikle birden fazla kurulumun ve buna bağlı manuel kullanım/yeniden fikstürleme süresinin ortadan kaldırılmasından ve optimize edilmiş takım yönlendirmesi sayesinde daha uzun ve sürekli kesimlerle daha verimli takım yollarının sağlanmasından kaynaklanmıştır.
3.2 Yüzey Kalitesinin İyileştirilmesi
Yüzey pürüzlülüğü (Ra), 5 eksenli işleme ile sürekli olarak iyileştirildi. Titanyum pervanenin karmaşık kanat yüzeylerinde, ortalama Ra değerleri %32 oranında azaldı (0,8 µm'ye karşı 1,18 µm). Paslanmaz çelik türbin kanadında da benzer iyileşmeler görüldü (Ra %35 oranında azaldı, ortalama 0,65 µm'ye karşı 1,0 µm). Bu iyileşme, daha kısa takım uzantılarında daha iyi takım rijitliği sayesinde sabit ve optimum bir kesme temas açısı sağlama ve takım titreşimini azaltma becerisine bağlanmaktadır.
3.3 Geometrik Doğruluk Geliştirme
CMM analizi, 5 eksenli işlemeyle üstün geometrik doğruluğu doğruladı. Kritik özelliklerin sıkı ±0,025 mm toleransı içinde kalma yüzdesi önemli ölçüde arttı: titanyum pervane için %30 (yüzde 62'ye kıyasla yüzde 92 uyumluluk sağladı) ve paslanmaz çelik kanat için %26 (yüzde 63'e kıyasla yüzde 89 uyumluluk sağladı). Bu iyileştirme, 3 eksenli işlemde gereken çoklu kurulumlar ve manuel yeniden konumlandırmadan kaynaklanan kümülatif hataların doğrudan ortadan kaldırılmasından kaynaklanmaktadır. Bileşik açılar gerektiren özellikler en çarpıcı doğruluk kazanımlarını göstermiştir.
*Şekil 1: Karşılaştırmalı Performans Ölçütleri (5 Eksenli ve 3 Eksenli)*
4. Tartışma
Sonuçlar, karmaşık özel metal parçalar için 5 eksenli işlemenin teknik avantajlarını açıkça ortaya koymaktadır. Çevrim süresindeki önemli azalmalar, doğrudan parça başına daha düşük maliyetlere ve artan üretim kapasitesine dönüşmektedir. İyileştirilmiş yüzey kalitesi, elle parlatma gibi ikincil son işlem işlemlerini azaltarak veya ortadan kaldırarak, maliyetleri ve teslim sürelerini daha da düşürürken parça tutarlılığını da artırmaktadır. Geometrik doğruluktaki artış, parça işlevi ve güvenliğinin en önemli olduğu havacılık motorları veya tıbbi implantlar gibi yüksek performanslı uygulamalar için kritik öneme sahiptir.
Bu avantajlar, esas olarak 5 eksenli işlemenin temel kabiliyetinden kaynaklanmaktadır: tek kurulumlu işlemeyi mümkün kılan eş zamanlı çok eksenli hareket. Bu, kurulum kaynaklı hataları ve işleme süresini ortadan kaldırır. Ayrıca, sürekli optimum takım yönlendirmesi (ideal talaş yükü ve kesme kuvvetlerini koruyarak), yüzey kalitesini iyileştirir ve takım rijitliğinin izin verdiği yerlerde daha agresif işleme stratejilerine olanak tanıyarak hız kazanımlarına katkıda bulunur.
Ancak, pratik uygulama, sınırlamaların kabul edilmesini gerektirir. Yetenekli bir 5 eksenli makine ve uygun takımlar için sermaye yatırımı, 3 eksenli ekipmanlara kıyasla önemli ölçüde daha yüksektir. Programlama karmaşıklığı katlanarak artar; verimli, çarpışmasız 5 eksenli takım yolları oluşturmak, yüksek vasıflı CAM programcıları ve gelişmiş yazılımlar gerektirir. Simülasyon ve doğrulama, işleme öncesinde zorunlu adımlar haline gelir. Fikstürleme, tam dönüş hareketi için hem rijitlik hem de yeterli boşluk sağlamalıdır. Bu faktörler, operatörler ve programcılar için gereken beceri seviyesini yükseltir.
Pratik çıkarım açıktır: 5 eksenli işleme, hız, kalite ve kabiliyet avantajlarının daha yüksek işletme giderlerini ve yatırımı haklı çıkardığı yüksek değerli, karmaşık bileşenler için mükemmeldir. Daha basit parçalar için 3 eksenli işleme daha ekonomiktir. Başarı, hem teknolojiye hem de kalifiye personele, ayrıca güçlü CAM ve simülasyon araçlarına yatırım yapmaya bağlıdır. Üretilebilirlik (DFM) için parçalar tasarlarken 5 eksenli kabiliyetlerden tam olarak yararlanmak için tasarım, üretim mühendisliği ve makine atölyesi arasında erken iş birliği çok önemlidir.
5. Sonuç
Modern 5 eksenli CNC işleme, geleneksel 3 eksenli yöntemlere kıyasla karmaşık, yüksek hassasiyetli özel metal parçaların üretiminde kanıtlanabilir derecede üstün bir çözüm sunar. Temel bulgular şunları doğrulamaktadır:
Önemli Verimlilik:Tek kurulumlu işleme ve optimize edilmiş takım yolları sayesinde çevrim süresinde %40-60 oranında azalma.
Gelişmiş Kalite:Optimum takım yönlendirmesi ve teması sayesinde yüzey pürüzlülüğünde (Ra) %35'e varan iyileştirmeler.
Üstün Doğruluk:Kritik geometrik toleransların ±0,025 mm içinde tutulmasında ortalama %28 artış, birden fazla kurulumdan kaynaklanan hatalar ortadan kaldırıldı.
Teknoloji, 3 eksenli işleme ile uygulanması mümkün olmayan veya uygulanması mümkün olmayan karmaşık geometrilerin (derin boşluklar, girintiler, bileşik eğriler) üretilmesini sağlayarak havacılık, tıp ve enerji sektörlerinin gelişen taleplerine doğrudan yanıt veriyor.
5 eksenli işleme kapasitesine yapılan yatırım getirisini en üst düzeye çıkarmak için üreticiler, hassasiyet ve teslim süresinin kritik rekabet faktörleri olduğu yüksek karmaşıklık düzeyine sahip, yüksek değerli parçalara odaklanmalıdır. Gelecekteki çalışmalar, gerçek zamanlı kalite kontrol ve kapalı devre işleme için 5 eksenli işlemenin proses içi metroloji ile entegrasyonunu araştırmalı, hassasiyeti daha da artırmalı ve hurdayı azaltmalıdır. Inconel veya sertleştirilmiş çelikler gibi işlenmesi zor malzemeler için 5 eksenli esneklikten yararlanan adaptif işleme stratejileri üzerine devam eden araştırmalar da değerli bir yol sunmaktadır.
