1 Метод исследования 

1.1 Подход к проектированию

В исследовании оценивалось, как конкретные геометрические решения и решения по допускам влияют на стоимость обработки на станках с ЧПУ. Были выбраны три репрезентативные категории деталей:

1. тонкостенные корпуса,

2. прецизионные валы,

3. функциональные кронштейны из алюминия 6061-T6, нержавеющей стали 304 и POM.

Каждая категория была смоделирована с переменными параметрами, включая глубину кармана, радиус скругления, количество отверстий, геометрию фаски и ширину полосы допуска. Все вариации параметров были разработаны в соответствии с общепринятыми производственными ограничениями и диапазонами возможностей поставщиков.

1.2 Источники данных

Данные были получены из:

• журналов времени цикла, полученных с трех- и четырехкоординатных вертикальных обрабатывающих центров, используемых в серийном производстве,
• измерений износа инструмента, собранных с помощью пресеттеров,
• имитаций траектории движения инструмента, сгенерированных CAM-системой на основе Mastercam 2024,
• таблиц калькуляции затрат, предоставленных отделом планирования производства.

Для обеспечения согласованности все параметры обработки были нормализованы с использованием одного и того же класса режущего инструмента, диапазона скорости шпинделя и условий охлаждения.

1.3 Инструменты и воспроизводимость

В эксперименте использовались:

• Mastercam 2024 для генерации траектории движения инструмента,
• цифровые микрометры Mitutoyo для проверки размеров,
• стандартизированная модель затрат (затраты на оплату труда, стоимость работы станка в час, стоимость материала, стоимость инструмента).

Рабочий процесс полностью воспроизводим путем применения идентичной CAD-геометрии, настроек CAM и заготовки материала.

2 Результаты и анализ

2.1 Сравнение времени цикла

В таблице 1 обобщены изменения времени цикла при упрощении нефункциональных элементов.
(В окончательном документе используйте трехстрочную таблицу с надлежащим выравниванием и единицами измерения.)

Таблица 1. Сокращение элементов против изменения времени цикла

Результаты показывают, что упрощенные карманы и стандартизированные радиусы значительно сокращают количество проходов обработки. Более глубокие карманы и небольшие нестандартные радиусы показали наибольшую корреляцию с увеличением износа инструмента и увеличением циклов черновой/чистовой обработки.

2.2 Влияние допусков

Расширение полос допусков с ±0,01 мм до ±0,05 мм снизило время чистовой обработки на 14–19%. Соответственно, были сокращены этапы компенсации отклонения инструмента и потребовалось меньше итераций контроля.

2.3 Сравнение с существующими результатами

Существующие исследования по моделированию затрат на ЧПУ сообщают о аналогичных тенденциях во взаимосвязи между полосами допусков и временем чистовой обработки. Эксперимент подтверждает эти наблюдения и количественно оценивает выгоду для многоматериального производства.

3 Обсуждение

3.1 Интерпретация результатов

Большинство сокращений затрат происходит за счет упрощения траектории движения инструмента и оптимизированного зацепления режущего инструмента. Большие радиусы позволяют использовать стратегии высокой подачи, уменьшая износ инструмента. Расширение допусков напрямую уменьшает количество проходов чистовой обработки, особенно для компонентов из нержавеющей стали, где сопротивление резанию высокое.

3.2 Ограничения

• Были оценены только три материала; жаропрочные сплавы и титан не были включены.
• Пятикоординатная обработка была исключена, что ограничивает применимость сложными аэрокосмическими геометриями.
• Моделирование затрат предполагало стабильные ставки оплаты труда и электроэнергии, которые могут различаться в разных регионах.

3.3 Практические последствия

Производители, проектирующие детали для ЧПУ для быстрого производства, могут включить эти советы DFM для снижения стоимости единицы продукции без изменения эксплуатационных характеристик. Стандартизация радиусов и корректировка некритических допусков особенно эффективны при размерах партии менее 500 шт./месяц.

4 Заключение

Оценка показывает, что последовательное использование рекомендаций DFM — геометрическое упрощение, оптимизированные радиусы и разумные полосы допусков — снижает стоимость обработки в основном за счет уменьшения времени цикла и использования инструмента. Эти выводы поддерживают будущие применения при перепроектировании компонентов и сравнительном анализе поставщиков. Дальнейшие исследования могут быть расширены до многокоординатной обработки и сложных сплавов.