5-अक्ष मशीनिंग के साथ कस्टम धातु भागों का निर्माण

5-अक्ष मशीनिंग के साथ कस्टम धातु भागों का निर्माण

लेखक:पीएफटी, शेन्ज़ेन

अमूर्त:उन्नत विनिर्माण के लिए एयरोस्पेस, चिकित्सा और ऊर्जा क्षेत्रों में लगातार जटिल, उच्च-परिशुद्धता वाले धातु घटकों की आवश्यकता होती है। यह विश्लेषण इन आवश्यकताओं को पूरा करने में आधुनिक 5-अक्षीय कंप्यूटर न्यूमेरिकल कंट्रोल (CNC) मशीनिंग की क्षमताओं का मूल्यांकन करता है। जटिल इम्पेलर्स और टरबाइन ब्लेड्स के प्रतिनिधि बेंचमार्क ज्यामिति का उपयोग करते हुए, एयरोस्पेस-ग्रेड टाइटेनियम (Ti-6Al-4V) और स्टेनलेस स्टील (316L) पर 5-अक्ष बनाम पारंपरिक 3-अक्ष विधियों की तुलना करते हुए मशीनिंग परीक्षण किए गए। परिणाम 5-अक्ष प्रसंस्करण के साथ मशीनिंग समय में 40-60% की कमी और सतह खुरदरापन (Ra) में 35% तक का सुधार प्रदर्शित करते हैं, जो कम सेटअप और अनुकूलित टूल ओरिएंटेशन के कारण है। ±0.025 मिमी सहिष्णुता के भीतर सुविधाओं के लिए ज्यामितीय सटीकता औसतन 28% बढ़ गई। ये क्षमताएं 5-अक्ष प्रौद्योगिकी को उच्च-मूल्य, जटिल कस्टम धातु भाग निर्माण के लिए आवश्यक बनाती हैं।

1 परिचय
एयरोस्पेस (हल्के, मज़बूत पुर्जों की माँग), चिकित्सा (जैव-संगत, रोगी-विशिष्ट प्रत्यारोपणों की आवश्यकता), और ऊर्जा (जटिल द्रव-संचालन घटकों की आवश्यकता) जैसे उद्योगों में प्रदर्शन अनुकूलन के लिए निरंतर प्रयास ने धातु पुर्जों की जटिलता की सीमाओं को बढ़ा दिया है। पारंपरिक 3-अक्ष सीएनसी मशीनिंग, सीमित उपकरण पहुँच और कई आवश्यक सेटअपों के कारण, जटिल आकृति, गहरी गुहाओं और मिश्रित कोणों की आवश्यकता वाली विशेषताओं से जूझती है। इन सीमाओं के परिणामस्वरूप सटीकता में कमी, उत्पादन समय में वृद्धि, उच्च लागत और डिज़ाइन संबंधी प्रतिबंध होते हैं। 2025 तक, अत्यधिक जटिल, सटीक धातु पुर्जों का कुशलतापूर्वक निर्माण करने की क्षमता अब एक विलासिता नहीं बल्कि एक प्रतिस्पर्धी आवश्यकता बन जाएगी। आधुनिक 5-अक्ष सीएनसी मशीनिंग, तीन रैखिक अक्षों (X, Y, Z) और दो घूर्णन अक्षों (A, B या C) का एक साथ नियंत्रण प्रदान करते हुए, एक परिवर्तनकारी समाधान प्रस्तुत करती है। यह तकनीक काटने वाले उपकरण को एक ही सेटअप में लगभग किसी भी दिशा से वर्कपीस तक पहुँचने की अनुमति देती है, जिससे 3-अक्ष मशीनिंग में निहित पहुँच संबंधी सीमाओं पर मूल रूप से काबू पा लिया जाता है। यह आलेख कस्टम धातु भाग उत्पादन के लिए 5-अक्ष मशीनिंग की विशिष्ट क्षमताओं, परिमाणित लाभों और व्यावहारिक कार्यान्वयन संबंधी विचारों की जांच करता है।

2. विधियाँ
2.1 डिज़ाइन और बेंचमार्किंग
सीमेंस एनएक्स सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग करके दो बेंचमार्क भागों को डिजाइन किया गया, जो कस्टम विनिर्माण में आम चुनौतियों को शामिल करते हैं:

प्ररित करनेवाला:इसमें उच्च पहलू अनुपात और तंग क्लीयरेंस के साथ जटिल, मुड़े हुए ब्लेड हैं।

टरबाइन ब्लेड:मिश्रित वक्रता, पतली दीवारें, और सटीक माउंटिंग सतहों को शामिल करना।
इन डिजाइनों में जानबूझकर अंडरकट, गहरे पॉकेट्स और गैर-ऑर्थोगोनल उपकरण पहुंच की आवश्यकता वाली विशेषताओं को शामिल किया गया है, जो विशेष रूप से 3-अक्ष मशीनिंग की सीमाओं को लक्षित करते हैं।

2.2 सामग्री और उपकरण

सामग्री:एयरोस्पेस-ग्रेड टाइटेनियम (Ti-6Al-4V, एनील्ड स्थिति) और 316L स्टेनलेस स्टील को मांग वाले अनुप्रयोगों और विशिष्ट मशीनिंग विशेषताओं में उनकी प्रासंगिकता के लिए चुना गया था।

मशीनें:

5-अक्ष:डीएमजी मोरी डीएमयू 65 मोनोब्लॉक (हेइडेनहैन टीएनसी 640 नियंत्रण)।

3-अक्ष:HAAS VF-4SS (HAAS NGC नियंत्रण).

टूलींग:रफिंग और फिनिशिंग के लिए केनामेटल और सैंडविक कोरोमेंट से प्राप्त कोटेड सॉलिड कार्बाइड एंड मिल्स (विभिन्न व्यास, बॉल-नोज़ और फ्लैट-एंड) का इस्तेमाल किया गया। कटिंग पैरामीटर्स (गति, फीड, कट की गहराई) को उपकरण निर्माता की सिफारिशों और नियंत्रित परीक्षण कट्स का उपयोग करके सामग्री और मशीन क्षमताओं के अनुसार अनुकूलित किया गया।

कार्यधारण:कस्टम, सटीक रूप से मशीनीकृत मॉड्यूलर फिक्स्चर ने दोनों प्रकार की मशीनों के लिए कठोर क्लैम्पिंग और दोहराए जाने योग्य स्थान सुनिश्चित किया। 3-अक्ष परीक्षणों के लिए, घूर्णन की आवश्यकता वाले भागों को सटीक डॉवेल का उपयोग करके मैन्युअल रूप से पुनः स्थापित किया गया, जो सामान्य कार्यशाला अभ्यास का अनुकरण करता है। 5-अक्ष परीक्षणों में एक ही फिक्स्चर सेटअप के भीतर मशीन की पूर्ण घूर्णन क्षमता का उपयोग किया गया।

2.3 डेटा अधिग्रहण और विश्लेषण

समय चक्र:मशीन टाइमर से सीधे मापा जाता है।

सतह खुरदरापन (Ra):प्रत्येक भाग पर पाँच महत्वपूर्ण स्थानों पर मिटुटोयो सर्फटेस्ट एसजे-410 प्रोफाइलोमीटर का उपयोग करके मापन किया गया। प्रत्येक सामग्री/मशीन संयोजन से तीन भागों को मशीनिंग द्वारा तैयार किया गया।

ज्यामितीय सटीकता:Zeiss CONTURA G2 निर्देशांक मापक मशीन (CMM) का उपयोग करके स्कैन किया गया। महत्वपूर्ण आयामों और ज्यामितीय सहनशीलता (समतलता, लंबवतता, प्रोफ़ाइल) की तुलना CAD मॉडल के साथ की गई।

सांख्यिकीय विश्लेषण:चक्र समय और Ra मापों के लिए औसत मान और मानक विचलन की गणना की गई। नाममात्र आयामों और सहनशीलता अनुपालन दरों से विचलन के लिए CMM डेटा का विश्लेषण किया गया।

तालिका 1: प्रायोगिक सेटअप सारांश

3. परिणाम और विश्लेषण
3.1 दक्षता लाभ
5-अक्षीय मशीनिंग ने समय की पर्याप्त बचत प्रदर्शित की। टाइटेनियम इम्पेलर के लिए, 5-अक्षीय प्रसंस्करण ने 3-अक्षीय मशीनिंग की तुलना में चक्र समय को 58% कम कर दिया (2.1 घंटे बनाम 5.0 घंटे)। स्टेनलेस स्टील टर्बाइन ब्लेड में 42% की कमी (1.8 घंटे बनाम 3.1 घंटे) देखी गई। ये लाभ मुख्य रूप से कई सेटअप और उससे जुड़े मैनुअल हैंडलिंग/री-फिक्स्चरिंग समय को समाप्त करने, और अनुकूलित टूल ओरिएंटेशन के कारण लंबे, निरंतर कट के साथ अधिक कुशल टूलपाथ को सक्षम करने के कारण प्राप्त हुए।

3.2 सतह की गुणवत्ता में सुधार
5-अक्षीय मशीनिंग के साथ सतह खुरदरापन (Ra) में लगातार सुधार हुआ। टाइटेनियम इम्पेलर की जटिल ब्लेड सतहों पर, औसत Ra मान 32% (0.8 µm बनाम 1.18 µm) कम हो गए। स्टेनलेस स्टील टर्बाइन ब्लेड पर भी इसी तरह के सुधार देखे गए (Ra 35% कम हुआ, औसतन 0.65 µm बनाम 1.0 µm)। यह सुधार निरंतर, इष्टतम कटिंग संपर्क कोण बनाए रखने की क्षमता और छोटे टूल एक्सटेंशन में बेहतर टूल कठोरता के माध्यम से कम टूल कंपन के कारण है।

3.3 ज्यामितीय सटीकता वृद्धि
सीएमएम विश्लेषण ने 5-अक्ष प्रसंस्करण के साथ बेहतर ज्यामितीय सटीकता की पुष्टि की। ±0.025 मिमी की कठोर सहनशीलता के भीतर रखी गई महत्वपूर्ण विशेषताओं का प्रतिशत उल्लेखनीय रूप से बढ़ा: टाइटेनियम इम्पेलर के लिए 30% (62% की तुलना में 92% अनुपालन प्राप्त हुआ) और स्टेनलेस स्टील ब्लेड के लिए 26% (63% की तुलना में 89% अनुपालन प्राप्त हुआ)। यह सुधार 3-अक्ष प्रक्रिया में आवश्यक कई सेटअप और मैन्युअल पुनर्स्थापन द्वारा उत्पन्न संचयी त्रुटियों के उन्मूलन से सीधे तौर पर उत्पन्न हुआ है। मिश्रित कोणों की आवश्यकता वाले विशेषताओं ने सबसे नाटकीय सटीकता लाभ दिखाया।

*चित्र 1: तुलनात्मक प्रदर्शन मीट्रिक्स (5-अक्ष बनाम 3-अक्ष)*

4. चर्चा
परिणाम जटिल कस्टम धातु पुर्जों के लिए 5-अक्षीय मशीनिंग के तकनीकी लाभों को स्पष्ट रूप से स्थापित करते हैं। चक्र समय में उल्लेखनीय कमी सीधे तौर पर प्रति-पुर्जा लागत में कमी और उत्पादन क्षमता में वृद्धि में परिणत होती है। बेहतर सतही फिनिश, हाथ से पॉलिश करने जैसे द्वितीयक परिष्करण कार्यों को कम या समाप्त कर देती है, जिससे लागत और लीड टाइम में और कमी आती है और साथ ही पुर्जों की एकरूपता में भी सुधार होता है। ज्यामितीय सटीकता में यह वृद्धि एयरोस्पेस इंजन या चिकित्सा प्रत्यारोपण जैसे उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ पुर्जों का कार्य और सुरक्षा सर्वोपरि है।

ये लाभ मुख्यतः 5-अक्षीय मशीनिंग की मूल क्षमता से उत्पन्न होते हैं: एक साथ बहु-अक्षीय गति जो एकल-सेटअप प्रसंस्करण को सक्षम बनाती है। इससे सेटअप-जनित त्रुटियाँ और हैंडलिंग समय समाप्त हो जाता है। इसके अलावा, निरंतर इष्टतम उपकरण अभिविन्यास (आदर्श चिप लोड और कटिंग बल बनाए रखना) सतह की फिनिश को बेहतर बनाता है और जहाँ उपकरण की कठोरता अनुमति देती है, वहाँ अधिक आक्रामक मशीनिंग रणनीतियों की अनुमति देता है, जिससे गति में वृद्धि होती है।

हालाँकि, व्यावहारिक रूप से अपनाने के लिए सीमाओं को स्वीकार करना आवश्यक है। एक सक्षम 5-अक्ष मशीन और उपयुक्त टूलिंग के लिए पूंजी निवेश 3-अक्ष उपकरणों की तुलना में काफी अधिक है। प्रोग्रामिंग की जटिलता तेजी से बढ़ती है; कुशल, टकराव-मुक्त 5-अक्ष टूलपाथ बनाने के लिए अत्यधिक कुशल CAM प्रोग्रामर और परिष्कृत सॉफ़्टवेयर की आवश्यकता होती है। मशीनिंग से पहले सिमुलेशन और सत्यापन अनिवार्य चरण बन जाते हैं। फिक्सचरिंग को पूर्ण घूर्णन यात्रा के लिए कठोरता और पर्याप्त निकासी दोनों प्रदान करनी चाहिए। ये कारक ऑपरेटरों और प्रोग्रामरों के लिए आवश्यक कौशल स्तर को बढ़ाते हैं।

व्यावहारिक निहितार्थ स्पष्ट है: 5-अक्ष मशीनिंग उच्च-मूल्य वाले, जटिल घटकों के लिए उत्कृष्ट है जहाँ गति, गुणवत्ता और क्षमता में इसके लाभ उच्च परिचालन व्यय और निवेश को उचित ठहराते हैं। सरल भागों के लिए, 3-अक्ष मशीनिंग अधिक किफायती रहती है। सफलता, मज़बूत CAM और सिमुलेशन उपकरणों के साथ-साथ तकनीक और कुशल कर्मियों में निवेश पर निर्भर करती है। विनिर्माण योग्यता (DFM) के लिए भागों को डिज़ाइन करते समय 5-अक्ष क्षमताओं का पूरी तरह से लाभ उठाने के लिए डिज़ाइन, निर्माण इंजीनियरिंग और मशीन शॉप के बीच प्रारंभिक सहयोग महत्वपूर्ण है।

5। उपसंहार
आधुनिक 5-अक्षीय सीएनसी मशीनिंग, पारंपरिक 3-अक्षीय विधियों की तुलना में जटिल, उच्च-परिशुद्धता वाले कस्टम धातु पुर्जों के निर्माण के लिए एक बेहतर समाधान प्रदान करती है। मुख्य निष्कर्ष इस बात की पुष्टि करते हैं:

महत्वपूर्ण दक्षता:एकल-सेटअप मशीनिंग और अनुकूलित टूलपाथ के माध्यम से चक्र समय में 40-60% की कमी।

उन्नत गुणवत्ता:इष्टतम उपकरण अभिविन्यास और संपर्क के कारण सतह खुरदरापन (Ra) में 35% तक सुधार।

श्रेष्ठ सटीकता:±0.025 मिमी के भीतर महत्वपूर्ण ज्यामितीय सहनशीलता को बनाए रखने में औसतन 28% की वृद्धि, जिससे कई सेटअपों से होने वाली त्रुटियों को समाप्त किया जा सके।
यह प्रौद्योगिकी जटिल ज्यामिति (गहरी गुहाएं, अंडरकट, मिश्रित वक्र) के उत्पादन को सक्षम बनाती है, जो 3-अक्ष मशीनिंग के साथ अव्यावहारिक या असंभव हैं, तथा एयरोस्पेस, चिकित्सा और ऊर्जा क्षेत्रों की उभरती मांगों को सीधे संबोधित करती है।

5-अक्ष क्षमता में निवेश पर अधिकतम लाभ प्राप्त करने के लिए, निर्माताओं को उच्च-जटिलता, उच्च-मूल्य वाले पुर्जों पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए जहाँ परिशुद्धता और लीड टाइम महत्वपूर्ण प्रतिस्पर्धी कारक हैं। भविष्य के कार्यों में वास्तविक समय गुणवत्ता नियंत्रण और क्लोज्ड-लूप मशीनिंग के लिए 5-अक्ष मशीनिंग को इन-प्रोसेस मेट्रोलॉजी के साथ एकीकृत करने पर विचार किया जाना चाहिए, जिससे परिशुद्धता में और वृद्धि होगी और स्क्रैप में कमी आएगी। इनकोनेल या कठोर स्टील जैसी मशीनिंग में कठिन सामग्रियों के लिए 5-अक्ष लचीलेपन का लाभ उठाने वाली अनुकूली मशीनिंग रणनीतियों पर निरंतर शोध भी एक मूल्यवान दिशा प्रस्तुत करता है।