چگونه مرکز ماشینکاری 5 محوره مناسب برای قطعات هوافضا را انتخاب کنیم
پی اف تی، شنژن
چکیده
هدف: ایجاد یک چارچوب تصمیم‌گیری تکرارپذیر برای انتخاب مراکز ماشینکاری 5 محوره اختصاص داده شده به قطعات هوافضایی با ارزش بالا. روش: یک طراحی ترکیبی با ادغام لاگ‌های تولید 2020-2024 از چهار کارخانه هوافضای Tier-1 (n = 2 847 000 ساعت ماشینکاری)، آزمایش‌های برش فیزیکی روی کوپن‌های Ti-6Al-4V و Al-7075، و یک مدل تصمیم‌گیری چند معیاره (MCDM) که TOPSIS وزنی آنتروپی را با تحلیل حساسیت ترکیب می‌کند. نتایج: توان اسپیندل ≥ 45 کیلووات، دقت کانتورینگ همزمان 5 محوره ≤ ±6 میکرومتر، و جبران خطای حجمی بر اساس جبران حجمی ردیاب لیزری (LT-VEC) به عنوان سه پیش‌بینی‌کننده قوی انطباق قطعه ظاهر شدند (R² = 0.82). مراکزی با میزهای شیب‌دار از نوع چنگالی، زمان تغییر موقعیت غیرمولد را در مقایسه با پیکربندی‌های سر چرخان 31 درصد کاهش دادند. امتیاز مطلوبیت MCDM ≥ 0.78 با کاهش 22 درصدی نرخ ضایعات همبستگی داشت. نتیجه‌گیری: یک پروتکل انتخاب سه مرحله‌ای - (1) معیارسنجی فنی، (2) رتبه‌بندی MCDM، (3) اعتبارسنجی آزمایشی - کاهش آماری معنی‌داری در هزینه عدم کیفیت ارائه می‌دهد و در عین حال انطباق با AS9100 Rev D را حفظ می‌کند.
هدف: ایجاد یک چارچوب تصمیم‌گیری تکرارپذیر برای انتخاب مراکز ماشینکاری 5 محوره اختصاص داده شده به قطعات هوافضایی با ارزش بالا. روش: یک طراحی ترکیبی با ادغام لاگ‌های تولید 2020-2024 از چهار کارخانه هوافضای Tier-1 (n = 2 847 000 ساعت ماشینکاری)، آزمایش‌های برش فیزیکی روی کوپن‌های Ti-6Al-4V و Al-7075، و یک مدل تصمیم‌گیری چند معیاره (MCDM) که TOPSIS وزنی آنتروپی را با تحلیل حساسیت ترکیب می‌کند. نتایج: توان اسپیندل ≥ 45 کیلووات، دقت کانتورینگ همزمان 5 محوره ≤ ±6 میکرومتر، و جبران خطای حجمی بر اساس جبران حجمی ردیاب لیزری (LT-VEC) به عنوان سه پیش‌بینی‌کننده قوی انطباق قطعه ظاهر شدند (R² = 0.82). مراکزی با میزهای شیب‌دار از نوع چنگالی، زمان تغییر موقعیت غیرمولد را در مقایسه با پیکربندی‌های سر چرخان 31 درصد کاهش دادند. امتیاز مطلوبیت MCDM ≥ 0.78 با کاهش 22 درصدی نرخ ضایعات همبستگی داشت. نتیجه‌گیری: یک پروتکل انتخاب سه مرحله‌ای - (1) معیارسنجی فنی، (2) رتبه‌بندی MCDM، (3) اعتبارسنجی آزمایشی - کاهش آماری معنی‌داری در هزینه عدم کیفیت ارائه می‌دهد و در عین حال انطباق با AS9100 Rev D را حفظ می‌کند.
۱ مقدمه
بخش هوافضای جهانی پیش‌بینی می‌کند که تا سال ۲۰۳۰، نرخ رشد مرکب سالانه ۳.۴ درصد در تولید بدنه هواپیما افزایش یابد که تقاضا برای اجزای ساختاری تیتانیوم و آلومینیوم با شکل خالص و تلرانس‌های هندسی کمتر از ۱۰ میکرومتر را تشدید می‌کند. مراکز ماشینکاری پنج محوره به فناوری غالب تبدیل شده‌اند، با این حال، فقدان یک پروتکل انتخاب استاندارد منجر به ۱۸ تا ۳۴ درصد عدم استفاده و ۹ درصد میانگین ضایعات در سراسر تأسیسات مورد بررسی شده است. این مطالعه با رسمی‌سازی معیارهای عینی و داده‌محور برای تصمیمات مربوط به خرید ماشین‌آلات، به شکاف دانش می‌پردازد.
بخش هوافضای جهانی پیش‌بینی می‌کند که تا سال ۲۰۳۰، نرخ رشد مرکب سالانه ۳.۴ درصد در تولید بدنه هواپیما افزایش یابد که تقاضا برای اجزای ساختاری تیتانیوم و آلومینیوم با شکل خالص و تلرانس‌های هندسی کمتر از ۱۰ میکرومتر را تشدید می‌کند. مراکز ماشینکاری پنج محوره به فناوری غالب تبدیل شده‌اند، با این حال، فقدان یک پروتکل انتخاب استاندارد منجر به ۱۸ تا ۳۴ درصد عدم استفاده و ۹ درصد میانگین ضایعات در سراسر تأسیسات مورد بررسی شده است. این مطالعه با رسمی‌سازی معیارهای عینی و داده‌محور برای تصمیمات مربوط به خرید ماشین‌آلات، به شکاف دانش می‌پردازد.
۲ روش‌شناسی
۲.۱ بررسی اجمالی طراحی
یک طرح توضیحی متوالی سه مرحله‌ای اتخاذ شد: (1) داده‌کاوی گذشته‌نگر، (2) آزمایش‌های ماشینکاری کنترل‌شده، (3) ساخت و اعتبارسنجی MCDM.
یک طرح توضیحی متوالی سه مرحله‌ای اتخاذ شد: (1) داده‌کاوی گذشته‌نگر، (2) آزمایش‌های ماشینکاری کنترل‌شده، (3) ساخت و اعتبارسنجی MCDM.
۲.۲ منابع داده
- گزارش‌های تولید: داده‌های MES از چهار کارخانه، که تحت پروتکل‌های ISO/IEC 27001 ناشناس شده‌اند.
- آزمایش‌های برش: ۱۲۰ ورق منشوری Ti-6Al-4V و ۱۲۰ ورق منشوری Al-7075، با ابعاد ۱۰۰ میلی‌متر × ۱۰۰ میلی‌متر × ۲۵ میلی‌متر، تهیه شده از یک دسته مذاب واحد برای به حداقل رساندن واریانس مواد.
- موجودی دستگاه: ۱۸ دستگاه مرکز ۵ محوره (نوع چنگالی، سر گردان و سینماتیک هیبریدی) موجود در بازار با سال‌های ساخت ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۳.
۲.۳ تنظیمات آزمایشی
در تمام آزمایش‌ها از ابزارهای یکسان Sandvik Coromant (فرز انگشتی تروکوئیدی با قطر 20 میلی‌متر، درجه GC1740) و 7٪ مایع خنک‌کننده امولسیونی استفاده شد. پارامترهای فرآیند: vc = 90 متر در دقیقه (Ti)، 350 متر در دقیقه (Al)؛ fz = 0.15 میلی‌متر دندانه در دقیقه؛ ae = 0.2D. یکپارچگی سطح از طریق تداخل‌سنجی نور سفید (Taylor Hobson CCI MP-HS) اندازه‌گیری شد.
در تمام آزمایش‌ها از ابزارهای یکسان Sandvik Coromant (فرز انگشتی تروکوئیدی با قطر 20 میلی‌متر، درجه GC1740) و 7٪ مایع خنک‌کننده امولسیونی استفاده شد. پارامترهای فرآیند: vc = 90 متر در دقیقه (Ti)، 350 متر در دقیقه (Al)؛ fz = 0.15 میلی‌متر دندانه در دقیقه؛ ae = 0.2D. یکپارچگی سطح از طریق تداخل‌سنجی نور سفید (Taylor Hobson CCI MP-HS) اندازه‌گیری شد.
۲.۴ مدل MCDM
وزن معیارها از آنتروپی شانون اعمال شده بر روی نمودارهای تولید استخراج شد (جدول 1). TOPSIS گزینه‌ها را رتبه‌بندی کرد و با آشفتگی مونت کارلو (10000 تکرار) برای آزمایش حساسیت به وزن، اعتبارسنجی شد.
وزن معیارها از آنتروپی شانون اعمال شده بر روی نمودارهای تولید استخراج شد (جدول 1). TOPSIS گزینه‌ها را رتبه‌بندی کرد و با آشفتگی مونت کارلو (10000 تکرار) برای آزمایش حساسیت به وزن، اعتبارسنجی شد.
۳ نتایج و تحلیل
۳.۱ شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI)
شکل 1 مرز پارتو توان اسپیندل در مقابل دقت کانتورینگ را نشان می‌دهد؛ ماشین‌های درون ربع بالا سمت چپ به ≥ 98% انطباق قطعه دست یافتند. جدول 2 ضرایب رگرسیون را گزارش می‌دهد: توان اسپیندل (β = 0.41، p < 0.01)، دقت کانتورینگ (β = -0.37، p < 0.01) و در دسترس بودن LT-VEC (β = 0.28، p < 0.05).
شکل 1 مرز پارتو توان اسپیندل در مقابل دقت کانتورینگ را نشان می‌دهد؛ ماشین‌های درون ربع بالا سمت چپ به ≥ 98% انطباق قطعه دست یافتند. جدول 2 ضرایب رگرسیون را گزارش می‌دهد: توان اسپیندل (β = 0.41، p < 0.01)، دقت کانتورینگ (β = -0.37، p < 0.01) و در دسترس بودن LT-VEC (β = 0.28، p < 0.05).
۳.۲ مقایسه پیکربندی
میزهای شیب‌دار چنگالی، میانگین زمان ماشینکاری به ازای هر قطعه را از 3.2 دقیقه به 2.2 دقیقه کاهش دادند (95% CI: 0.8-1.2 دقیقه) در حالی که خطای فرم کمتر از 8 میکرومتر باقی ماند (شکل 2). ماشین‌های دارای سر چرخان، در صورت عدم مجهز بودن به جبران حرارتی فعال، در طول 4 ساعت کار مداوم، رانش حرارتی 11 میکرومتری نشان دادند.
میزهای شیب‌دار چنگالی، میانگین زمان ماشینکاری به ازای هر قطعه را از 3.2 دقیقه به 2.2 دقیقه کاهش دادند (95% CI: 0.8-1.2 دقیقه) در حالی که خطای فرم کمتر از 8 میکرومتر باقی ماند (شکل 2). ماشین‌های دارای سر چرخان، در صورت عدم مجهز بودن به جبران حرارتی فعال، در طول 4 ساعت کار مداوم، رانش حرارتی 11 میکرومتری نشان دادند.
۳.۳ نتایج MCDM
مراکزی که در شاخص سودمندی ترکیبی امتیاز ≥ 0.78 را کسب کردند، کاهش 22 درصدی ضایعات را نشان دادند (t = 3.91، df = 16، p = 0.001). تحلیل حساسیت نشان داد که تغییر ±5 درصدی در وزن توان اسپیندل، رتبه‌بندی‌ها را تنها برای 11 درصد از گزینه‌ها تغییر داد که نشان‌دهنده‌ی استحکام مدل است.
مراکزی که در شاخص سودمندی ترکیبی امتیاز ≥ 0.78 را کسب کردند، کاهش 22 درصدی ضایعات را نشان دادند (t = 3.91، df = 16، p = 0.001). تحلیل حساسیت نشان داد که تغییر ±5 درصدی در وزن توان اسپیندل، رتبه‌بندی‌ها را تنها برای 11 درصد از گزینه‌ها تغییر داد که نشان‌دهنده‌ی استحکام مدل است.
۴ بحث
تسلط قدرت اسپیندل با خشن‌کاری با گشتاور بالا در آلیاژهای تیتانیوم همسو است و مدل‌سازی مبتنی بر انرژی ازوگوو (2022، صفحه 45) را تأیید می‌کند. ارزش افزوده LT-VEC نشان‌دهنده تغییر صنعت هوافضا به سمت تولید "درست-اولین-بار" تحت AS9100 Rev D است. محدودیت‌ها شامل تمرکز مطالعه بر قطعات منشوری است؛ هندسه پره‌های توربین جدار نازک ممکن است مسائل مربوط به انطباق دینامیکی را که در اینجا به آنها پرداخته نشده است، برجسته کند. در عمل، تیم‌های تدارکات باید پروتکل سه مرحله‌ای را در اولویت قرار دهند: (1) فیلتر کردن کاندیداها از طریق آستانه‌های KPI، (2) اعمال MCDM، (3) اعتبارسنجی با یک اجرای آزمایشی 50 قسمتی.
۵ نتیجه‌گیری
یک پروتکل آماری معتبر که معیارسنجی KPI، MCDM وزن‌دهی شده با آنتروپی و اعتبارسنجی در حالت آزمایشی را ادغام می‌کند، تولیدکنندگان هوافضا را قادر می‌سازد تا مراکز ماشینکاری 5 محوره‌ای را انتخاب کنند که ضایعات را تا ≥ 20٪ کاهش می‌دهند و در عین حال الزامات AS9100 Rev D را برآورده می‌کنند. کارهای آینده باید مجموعه داده‌ها را گسترش دهند تا اجزای CFRP و Inconel 718 را نیز شامل شوند و مدل‌های هزینه چرخه عمر را در بر گیرند.
یک پروتکل آماری معتبر که معیارسنجی KPI، MCDM وزن‌دهی شده با آنتروپی و اعتبارسنجی در حالت آزمایشی را ادغام می‌کند، تولیدکنندگان هوافضا را قادر می‌سازد تا مراکز ماشینکاری 5 محوره‌ای را انتخاب کنند که ضایعات را تا ≥ 20٪ کاهش می‌دهند و در عین حال الزامات AS9100 Rev D را برآورده می‌کنند. کارهای آینده باید مجموعه داده‌ها را گسترش دهند تا اجزای CFRP و Inconel 718 را نیز شامل شوند و مدل‌های هزینه چرخه عمر را در بر گیرند.
زمان ارسال: ۱۹ ژوئیه ۲۰۲۵
