CNC Töötlemine vs Valamine: Lõplik Juhend

Mis määratleb CNC töötlemisteenuseid kaasaegses tootmises

CNC töötöötlusteenused kasutavad arvutiga juhtitud tööriistu, mis eemaldavad materjali tahketest tükidest, et luua täpseid kujundeid nii nimetatud subtraktiivse valmistamise teel. Peamised komponendid hõlmavad mitmetelgelist peapinda, automaatset tööriistavahetit ja nutikaid kontrollereid, mis võimaldavad väga kitsaid tolerantsi piiranguid umbes ±0,005 mm. Selline täpsus on eriti oluline industriaalsetes valdkondades, kus täpsus on kõige tähtsam. Eelmisel aastal avaldatud aruande kohaselt vähendavad need CNC-süsteemid inimlike vigade arvu ligikaudu 73% võrrelduna traditsiooniliste käsitsi meetoditega, eriti silmatorkavalt keerukate lennurakenduste komponentide tootmisel. Parimad töökojad keskenduvad tugevatele tööde kinnitussüsteemidele ja iseennast kohandavatele lõiketööriistadele, et suuda toimetada kõigi materjalidega – alates tavapärastest alumiiniumliitmetest kuni raskete materjalideni nagu tiitaan.

Valamise põhimõtted: liivvalamisest suruvalamiseni

Valamisprotsess hõlmab sulatud metalli valamist kujudesse, et luua detaile. Liivvalamine kasutab tavaliselt ühekordselt kasutatavaid kujusid ja sobib hästi väiksemate partide tootmiseks, eriti siis, kui tehakse rasketehnika osi partides, mis on suuremad kui 50 ühikut. Suruvalamisel aga loovutatakse vastupidavatele teraskokkudele, mida saab mitu korda uuesti kasutada, mistõttu see sobib ideaalselt suuremahuliseks tootmiseks, kus kiirus on kõige olulisem. Autotootjad pöörduvad sageli suruvalamise poole, sest need masinad suudavad toota tunnis kusagil 200 kuni 500 detaili. Kui juttu on kvaliteedikontrollist, siis tegurid, nagu metalli valamistemperatuur (tavaliselt umbes 650 kraadist Celsiuse järgi peaaegu 1600-ni), mängivad suurt rolli selles, kui tahke lõpptootis on jahutamise järel. Tahkumise kiirus on protsessi jooksul veel üks oluline kaalutlus. Huvitavalt piisab viimaste arengutest vakuumiga assisteeritud valamistehnikates, mis on suutnud vähendada tüütu poroossuse probleeme ligikaudu nelikümmend protsenti, mis tähendab paremini välja näevaid pindu kõigil toodetud esemetel.

Valamise ja CNC-töötlemise võtmeerinevused materjali eemaldamisel vs. moodustamisel

Aastal 2023 läbi viidud lennuruumikomponentide terviklikkuse uuring kinnitas, et CNC-töötlemine saavutas tiibspargi tolerantsides 99,8% vastavust, samas kui valamismeetoditel oli raskusi vähem kui 85% täpsusega termilise tihenemise tõttu.

Täpsus, tolerants ja kvaliteet: CNC-töötlemise ja valamise võrdlus

Täpsusnivood, mida saavutatakse CNC töötlemisel võrrelduna survesissemise meetodiga

Täpsete tolerantside puhul eristub CNC töötlemine oluliselt traditsioonilisest survesissemisest. Enamik CNC toiminguid saavutab umbes ±0,01 mm täpsuse, samas kui survesissemise puhul jääb väärtus tavaliselt ligikaudu ±0,25 mm piiridesse. See teeb suure erinevuse seal, kus täpsus on kõige olulisem. Selle erinevuse põhjus peitub selles, kuidas need protsessid põhimõtteliselt erinevalt toimivad. CNC masinad eemaldavad materjali väikesi tükkide kaupa, seega puudub oht porosusele, mis esineb sageli valamistes. Võtke näiteks kaasaegsed 5-teljelised CNC süsteemid – need suudavad hoida tolerantsi isegi 0,0004 tolli piires, isegi keerukatel kujunditel. Liivvalamine ei suuda seda järjepidevust saavutada ilma lisatöötlemiseta, et üldse lähedale jõuda.

Korduvus ja täpsus suurtootmistingimustes

Automaatsete CNC töövoogude kasutamine tagab 99,8% korduvuslikkuse tootmiseriidides, mis ületavad 10 000 ühikut – tegu on saavutusega, mida traditsioonilistes valamistehingutes ei õnnestu saavutada. Valamisprotsessid on omane muutlikkuse tõttu haavatavad vormi degradatsioonist ja sulametalli voolu dünaamikast, sageli nõudes 12–18% jäätmete hulka võrreldes optimeeritud CNC töötöötlusega, kus jäätmete tase jääb 3–5%-le.

Juhtumiuuring: Õhuruumikomponent, mille täpsusnõuded täidetakse ainult CNC töötöötlusega

Hiljutine turbiinlõõpse projekt näitas CNC üleüldist paremus, kui valatud prototüübid läbisid survekatsete 78%. CNC töödeldud Inconel 718 komponendid vastasid 0,005 mm profiilitäpsusele, mis on kriitiline supersonilise õhuvoolu reguleerimisel, ja täideti 100% AS9100D õhuruumistandardite nõudeid.

Edasijõudnud lähedalnetovalatud tehnikad parandavad mõõtmetäpsust

Kuigi vaakumtoega valamine saavutab nüüd 90% mõõtmete täpsuse esmaste valamite puhul, on järeltöötlus CNC töötlusmasinaga endiselt oluline kokkupuutevormide ja kõrvuslike elementide jaoks. Uued sidujasüttimise meetodid on vähendanud valamisnurga kuni 0,5°, mis on kitsendanud – kuid mitte kaotanud – täpsuse erinevust CNC protsessidega.

Materjalide ühilduvus ja disainilooming CNC ja valamise rakendustes

Levinud metallid valamises ja nende töödeldavus tootmise järel

Valmistöödes kasutatakse sageli materjale, nagu alumiinium A356, tsink ZA-8 ja erinevaid raua sulamid, sealhulgas halli raua (mis vastab ASTM A48 standardile), kuna need liikuvad sulamisel hästi ja kompenseerivad tõhusalt tihenemist tahkumise ajal. Enamusest neist materjalidest peab valamise järel lisaks CNC-töötlemist, et saavutada täpsed mõõdud. Võtke näiteks suruvalatud alumiiniumi – see põhjustab tööriistade kulumist umbes 20 protsenti kiiremini võrreldes tavapäraste voolava sulamiga freesimisel. Selle järelduse tegi möödunud aastal American Foundry Society avaldatud tootmismaterjalide aruandes. See erinevus on oluline toodangukulude optimeerimisel pikas perspektiivis.

Makerverse töötlemisjuhend rõhutab, et silitsiumisisaldus valatud alumiiniumis kiirendab tööriistade kulumist, nõudes CNC-lõputöötluse käigus kohanduvat söödet.

Materjalivalik valamises ja CNC-töötlemises: alumiinium, teras ja spetsiaallegiidid

Mõlemad protsessid töötlevad alumiiniumi, kuid valatud versioonid nagu 319.0 on tõmbekindluse poolest nõrgemad (276 MPa) võrreldes CNC-töödeldud 6061-T6 materjaliga (310 MPa). Terasest komponentidel on erinevad teed: investeerimisvalamine sobib keerukate kuju valmistamiseks 4140 sulamist, samas kui CNC-töötlemine domineerib 17-4PH roostevabast terasest detailide tootmisel, kus on vajalik ±0,025 mm täpsus.

Materjalilahutuvuse piirangud sisemiste geomeetrite puhul valamisel

Valamise sõltuvus vormi eraldumistasanditest piirab sisemiste kanalite keerukust. Kuigi liivvalamise tuumad suudavad luua lihtsamaid õõnsusi, siis näiteks mootoriplokkides olevad spiraalkujulised jahutuskanalid nõuavad järeltöötlust CNC-puurimisega – see lisab tootmiskuludele 15–30%.

Keerulised geomeetriad: sisemised ja välimised elemendid valamisel ja CNC-töötlemisel

Valamine suudab toota orgaanilisi välimisi kujundeid, nagu tuuleturbiini korpused, ühes tükis, samas kui CNC-töötlemine võimaldab täpseid sisemisi elemente, näiteks kütusemanoodi mikrokanaleid (Ø0,5±0,01 mm). Mitmeteljelised CNC-süsteemid ületavad traditsioonilised piirangud ja töötlema 83° allapoole ulatuvaid sooned, mida ei saa tavapärase valamisvarustusega saavutada.

Disainipiirangud CNC-töötlemisel ja valamisel soonete ja õhukeste seintega puhul

Kui valmistöödel tuleb tegeleda allapoolepoorutistega, on tootjatel sageli vaja neid kalliteid kokkupanduvaid tuumikuid, mis võivad tõsiselt mõjutada eelarvet. Tööriistade kulud tõusevad 40–60 protsenti kõrgemaks näiteks ventiilide korpusi puhul. Hea uudis on see, et 5-telgelistel CNC-masinatel toimib allapoolepoorutiste töötlemine suhteliselt hästi nutikate tööriista asendite abil. Kuid olge ettevaatlikud eriti õhukeste seinadega, mis on alumiiniumdetalides alla 0,8 mm, sest need kalduvad painduma või kergitsema, kui tööriistade deflektsioon esineb töötlemise ajal. Sellele viitas Precision Machining Institute juba 2022. aastal pärast testide läbiviimist. Enamik töökoju hoiab nii valamise kui ka töötlemise operatsioonides seinapaksuse suhte alla 5:1, sest suurem suhe tekitab liiga palju probleeme pingete kogunemisega lõpptootes.

Tootmismaht, majanduslikkus ja läbiviimise aja analüüs

Metallitöötlemise kuluarvestused väikeste ja suurte partiihulkade puhul

Väikeste partide, 1 kuni 500 tükki, puhul on CNC-töötlemine eriti hea valik, kuna spetsiaalsete tööriistade või keerukate seadetega ei ole vaja palju. Majanduslikuks selle teeb asjaolu, et väiksemate kogustega tootmisel jaotuvad ühekordsed kulud seadmete programmeerimise ja kinnituseadmete loomise eest vähematele üksustele, suurendamata oluliselt ühe detaili maksumust. Kuid kui vaadata tegelike tehase andmeid, siis ilmneb huvitav muutus umbes 1000 ühiku piiril. Valamine muutub äkki ligikaudu 40 kuni isegi 60 protsenti odavamaks kui CNC-meetodid. Kui ettevõtted hakkavad tootma suurtes kogustes, saavad nad kasu kallistest valamisvormidest ja surutismallidest, mille algkulud jagunevad tuhandete toodete vahel. See tähendab, et üksikute detailide maksumus langeb ligikaudu 85% võrrelduna traditsiooniliste CNC-protsessidega. Matemaatika lihtsalt sobib paremini suurte tellimuste puhul.

Millal valamine muutub majanduslikuks: tootmismahu mõju protsessivalikule

Kui jõutakse tootmisseriate hinnasäästu juurde, siis materjali valamine muutub odavamaks kui CNC-töötlemine umbes 500 kuni 2000 ühiku puhul, kuigi see sõltub suuresti osa disaini keerukusest. Alumiiniumi liivvalamise puhul leiavad enamik tootjaid, et finantsiliselt tasuvuspunkt jõuab ligikaudu 800 detailini keskmise suurusega komponentide puhul. Tsingilegeri suruvalamisel jõutakse samasse kulude tasakaalupunkti pigem umbes 1200 ühiku juures. Huvitavaks muudavad olukorra ka mitmekoosalised vormid. Need erilised seadistused suudavad korraga valmistada 4 kuni 8 identset detaili, mis tähendab, et punkt, kus valamine muutub töötlemisest odavamaks, saabub palju varasema arvu juures kui need numbrid näitavad. Paljud töökojad alustavad tegelikult juba enne nimetatud piirmääradeni jõudmist kasu saamist valamisest, kui töödeldakse mitmest koopast koosnevaid vorme.

Tasuvusanalüüs: ühikute arv, mille puhul CNC-töötlemisteenused kaotavad maksumusliku eelise

Tüüpilise 150 mm alumiiniumkarbi puhul on CNC töötlemise maksumus 100 tükki korraga 78 $/tükk. Sama detail kõrgsurvega surutud valamisel läheb 1500 tükki korraga 31 $/tükki – 60% väiksem summa. Valamisvormide investeering (8000–15000 $) hõlmati 18 kuu jooksul, kui aastane tootmismaht ületab 2000 tükki. Alla 300 tükki/aasta tasub CNC töötlemine 22–35% võrra rohkem.

Kiiretellimuste tähtaegade arvestamine CNC töötlemisteenuste kasutamisel

CNC valmistab prototüübid 3–7 päevaga, samas kui valamisvormide arendamine võtab 4–12 nädalat. Kiirete 50 tükki partide puhul tagavad CNC töötlemisteenused 94% kiirema kohaletoimetamise kui valamistoimingud. See eelis väheneb üle 500 tükki, kus valamise päevane väljund (800–1200 detaili) ületab CNC tavapärase võimsuse 50–100 detaili/päev.

Strateegiline otsustamine: CNC töötlemise ja valamise valik

Hübriidtootmine: valamise ja CNC töötlemise kombinatsioon optimaalsete tulemuste saavutamiseks

Tänapäeval pöörduvad tootjad üha enam hübriidtootmise tehnikate poole, mis kombineerivad koksu ja CNC-töötlemise parimaid aspekte. Protsess algab koksumisega, mis vähendab materjalikadusid, kuna loob juba lõpliku kuju lähedased detailid. Seejärel järgneb CNC-töötlus, mis viib need komponendid ISO standardite kohaselt äärmiselt kitsastesse tolerantsidesse umbes 0,005 mm piires eelmisel aastal. Näiteks automootorite turbina korpuste puhul kasutavad paljud ettevõtted alumiiniumist rõhtkokkumist, et saavutada sobiv aluskuju, enne kui üle minnakse CNC-freisimisele nende oluliste laagrite piirkondade puhul, kus täpsus on kõige olulisem. Vastavalt viimase aasta 2023. aasta andmetele aruandevatest ettevõtetest, kes selliseid lähenemisi kombineerivad, vähendas ligi seitse kümnendikku oma järeltöötlusaega umbes 40%, samas kui lõplike mõõtude täpsust ei ohustata.

Detailide geomeetria arvestamine tootmise efektiivsuse ja maksumuse huvides

Kui on tegemist keerukate sisemiste kanalite või väga õhukeste seinadega alla 1,5 mm paksuse, valivad enamik insenerid valamise asemel CNC-töötlemise draft angle nõuete tõttu, mida valamine vajab. Teisest küljest on suuremad ja üsna ühtlase ehitusega esemed, näiteks pumpade korpused, sageli soodsamini valmistatavad liivavalamise meetodil. See tuleneb peamiselt sellest, et liivavalamine ei nõua kõiki keerulisi töörajaid, mida CNC-masinaid kasutades vajatakse. Igal, kes osi projekteerib, on oluline arvestada juba alguses asjaolusid nagu allapoole ulatuvad kujundid (undercuts), seinte paksuse ühtlus ning see, milline pindatöötlus on kõige olulisem. Pindatöötlused erinevad ka üksteisest suuresti – valatud osadel jääb see tavaliselt vahemikku Ra 0,8 kuni 6,3 mikronit, samas kui töödeldud osadel saavutatakse protsessist olenevalt isegi sujuvam pind Ra 0,4 kuni 3,2 mikroni piires.

Prototüüpimine CNC-töötlemise ja valamisega: kiirus, iteratsioon ja kinnitamine

CNC töötlus võimaldab saada funktsionaalsed prototüübid valmis juba 2 kuni 5 päega ilma, et oleks vaja ette investeerida tarindisse, mis kiirendab oluliselt disaini kinnitamise protsessi. Valamisprototüübid aga on teine lugu. Traditsiooniliselt kulub ainult mustrite loomisele ja vormide seadistamisele koguni 3 kuni 6 tervet nädalat. Kuid tänapäeval on hea uudis – 3D-trükitud liivvormid on selle aja vähendanud umbes 7 kuni 10 päevani. Osade puhul, kus on vaja tegelikke metallurgilisi teste, annavad sulamisprototüübid parema materjalide omaduste täpsuse. Miinus? Need maksavad umbes kolm korda rohkem kui töödeldud prototüübid. Nii kirjutas 2023. aastal avaldatud uuringus ASM International. Seega peavad tootjad otsustades tootmise üle kaaluma materjalide eeliste ja eelarvekoormuse suhet.

Samm-sammult otsustusraamistik CNC ja valamise vahel valimiseks

1. Mahtanalüüs : Kasumlikkuse punkt jõuab tavaliselt 500–1000 ühiku juures, millest alates valamine muutub majanduslikult otstarbekaks
2. Tolerantsi nõuded : Valige CNC, kui on vaja ±0,025 mm või paremat täpsust
3. Materjalipiirangud : Kõrgete temperatuuride sulamite, nagu Inconel®, puhul on vajalik töötlemine, kuna valamisel on porosuse tekke oht
4. Ettenägemise aja vajadus : Kiiretellimuste puhul saavutavad CNC-teenused 48-tunnise läbiväärtuse, samas kui püsivalamu valamine võtab neli või rohkem nädalat

See süstemaatiline lähenemine vähendab kogu tootmiskulusid 18–22% võrra võrreldes üheprotsessiliste strateegiatega, nagu on toodud ajakirjas Journal of Manufacturing Systems (2023).