Com triar el centre de mecanitzat de 5 eixos adequat per a peces aeroespacials
PFT, Shenzhen
Resum
Objectiu: Establir un marc de decisió reproduïble per a la selecció de centres de mecanitzat de 5 eixos dedicats a components aeroespacials d'alt valor. Mètode: Un disseny de mètodes mixtos que integra registres de producció del 2020 al 2024 de quatre plantes aeroespacials de nivell 1 (n = 2.847.000 hores de mecanitzat), assaigs de tall físic en cupons de Ti-6Al-4V i Al-7075, i un model de decisió multicriteri (MCDM) que combina TOPSIS ponderat per entropia amb anàlisi de sensibilitat. Resultats: La potència del cargol ≥ 45 kW, la precisió de contorn simultània de 5 eixos ≤ ±6 µm i la compensació volumètrica d'errors basada en la compensació volumètrica del rastrejador làser (LT-VEC) van emergir com els tres predictors més forts de la conformitat de la peça (R² = 0,82). Els centres amb taules basculants de tipus forquilla van reduir el temps de reposicionament improductiu en un 31% en comparació amb les configuracions de capçal giratori. Una puntuació d'utilitat MCDM ≥ 0,78 es va correlacionar amb una reducció del 22% de la taxa de rebuig. Conclusió: Un protocol de selecció de tres etapes —(1) avaluació comparativa tècnica, (2) classificació MCDM, (3) validació de la prova pilot— ofereix reduccions estadísticament significatives en el cost de la manca de qualitat, alhora que manté el compliment de la norma AS9100 Rev D.
Objectiu: Establir un marc de decisió reproduïble per a la selecció de centres de mecanitzat de 5 eixos dedicats a components aeroespacials d'alt valor. Mètode: Un disseny de mètodes mixtos que integra registres de producció del 2020 al 2024 de quatre plantes aeroespacials de nivell 1 (n = 2.847.000 hores de mecanitzat), assaigs de tall físic en cupons de Ti-6Al-4V i Al-7075, i un model de decisió multicriteri (MCDM) que combina TOPSIS ponderat per entropia amb anàlisi de sensibilitat. Resultats: La potència del cargol ≥ 45 kW, la precisió de contorn simultània de 5 eixos ≤ ±6 µm i la compensació volumètrica d'errors basada en la compensació volumètrica del rastrejador làser (LT-VEC) van emergir com els tres predictors més forts de la conformitat de la peça (R² = 0,82). Els centres amb taules basculants de tipus forquilla van reduir el temps de reposicionament improductiu en un 31% en comparació amb les configuracions de capçal giratori. Una puntuació d'utilitat MCDM ≥ 0,78 es va correlacionar amb una reducció del 22% de la taxa de rebuig. Conclusió: Un protocol de selecció de tres etapes —(1) avaluació comparativa tècnica, (2) classificació MCDM, (3) validació de la prova pilot— ofereix reduccions estadísticament significatives en el cost de la manca de qualitat, alhora que manté el compliment de la norma AS9100 Rev D.
1 Introducció
El sector aeroespacial mundial preveu una taxa de creixement anual composta del 3,4% en la producció de fuselatges fins al 2030, cosa que intensificarà la demanda de components estructurals de titani i alumini amb forma neta i toleràncies geomètriques inferiors a 10 µm. Els centres de mecanitzat de cinc eixos s'han convertit en la tecnologia dominant, però l'absència d'un protocol de selecció estandarditzat resulta en una infrautilització del 18-34% i una mitjana del 9% de ferralla a les instal·lacions enquestades. Aquest estudi aborda la bretxa de coneixement formalitzant criteris objectius i basats en dades per a les decisions d'adquisició de màquines.
El sector aeroespacial mundial preveu una taxa de creixement anual composta del 3,4% en la producció de fuselatges fins al 2030, cosa que intensificarà la demanda de components estructurals de titani i alumini amb forma neta i toleràncies geomètriques inferiors a 10 µm. Els centres de mecanitzat de cinc eixos s'han convertit en la tecnologia dominant, però l'absència d'un protocol de selecció estandarditzat resulta en una infrautilització del 18-34% i una mitjana del 9% de ferralla a les instal·lacions enquestades. Aquest estudi aborda la bretxa de coneixement formalitzant criteris objectius i basats en dades per a les decisions d'adquisició de màquines.
2 Metodologia
2.1 Visió general del disseny
Es va adoptar un disseny explicatiu seqüencial de tres fases: (1) mineria de dades retrospectiva, (2) experiments de mecanitzat controlat, (3) construcció i validació de MCDM.
Es va adoptar un disseny explicatiu seqüencial de tres fases: (1) mineria de dades retrospectiva, (2) experiments de mecanitzat controlat, (3) construcció i validació de MCDM.
2.2 Fonts de dades
- Registres de producció: dades MES de quatre plantes, anonimitzades segons els protocols ISO/IEC 27001.
- Assajos de tall: 120 blancs prismàtics de Ti-6Al-4V i 120 d'Al-7075, de 100 mm × 100 mm × 25 mm, obtinguts d'un únic lot de fosa per minimitzar la variància del material.
- Inventari de màquines: 18 centres de 5 eixos disponibles comercialment (tipus forquilla, capçal giratori i cinemàtica híbrida) amb anys de fabricació 2018–2023.
2.3 Configuració experimental
Totes les proves van utilitzar eines idèntiques de Sandvik Coromant (fresa trocoïdal de Ø20 mm, qualitat GC1740) i refrigerant d'inundació d'emulsió al 7%. Paràmetres del procés: vc = 90 m min⁻¹ (Ti), 350 m min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm dent⁻¹; ae = 0,2D. La integritat superficial es va quantificar mitjançant interferometria de llum blanca (Taylor Hobson CCI MP-HS).
Totes les proves van utilitzar eines idèntiques de Sandvik Coromant (fresa trocoïdal de Ø20 mm, qualitat GC1740) i refrigerant d'inundació d'emulsió al 7%. Paràmetres del procés: vc = 90 m min⁻¹ (Ti), 350 m min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm dent⁻¹; ae = 0,2D. La integritat superficial es va quantificar mitjançant interferometria de llum blanca (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 Model MCDM
Els pesos dels criteris es van derivar de l'entropia de Shannon aplicada als registres de producció (Taula 1). Les alternatives classificades per TOPSIS, validades per pertorbació de Montecarlo (10.000 iteracions) per provar la sensibilitat del pes.
Els pesos dels criteris es van derivar de l'entropia de Shannon aplicada als registres de producció (Taula 1). Les alternatives classificades per TOPSIS, validades per pertorbació de Montecarlo (10.000 iteracions) per provar la sensibilitat del pes.
3 Resultats i anàlisi
3.1 Indicadors clau de rendiment (KPI)
La figura 1 il·lustra la frontera de Pareto de la potència del fus respecte a la precisió del contorn; les màquines del quadrant superior esquerre van aconseguir una conformitat de peça ≥ 98%. La taula 2 mostra els coeficients de regressió: potència del fus (β = 0,41, p < 0,01), precisió del contorn (β = –0,37, p < 0,01) i disponibilitat de LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
La figura 1 il·lustra la frontera de Pareto de la potència del fus respecte a la precisió del contorn; les màquines del quadrant superior esquerre van aconseguir una conformitat de peça ≥ 98%. La taula 2 mostra els coeficients de regressió: potència del fus (β = 0,41, p < 0,01), precisió del contorn (β = –0,37, p < 0,01) i disponibilitat de LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 Comparació de la configuració
Les taules basculants de tipus forquilla van reduir el temps mitjà de mecanitzat per element de 3,2 min a 2,2 min (IC del 95 %: 0,8–1,2 min) mantenint un error de forma < 8 µm (Figura 2). Les màquines de capçal giratori van mostrar una deriva tèrmica d'11 µm durant 4 h de funcionament continu, tret que estiguessin equipades amb compensació tèrmica activa.
Les taules basculants de tipus forquilla van reduir el temps mitjà de mecanitzat per element de 3,2 min a 2,2 min (IC del 95 %: 0,8–1,2 min) mantenint un error de forma < 8 µm (Figura 2). Les màquines de capçal giratori van mostrar una deriva tèrmica d'11 µm durant 4 h de funcionament continu, tret que estiguessin equipades amb compensació tèrmica activa.
3.3 Resultats de MCDM
Els centres amb una puntuació ≥ 0,78 en l'índex d'utilitat composta van demostrar una reducció del 22% de la ferralla (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). L'anàlisi de sensibilitat va revelar que un canvi de ±5% en el pes de la potència del fus va alterar les classificacions per a només l'11% de les alternatives, confirmant la robustesa del model.
Els centres amb una puntuació ≥ 0,78 en l'índex d'utilitat composta van demostrar una reducció del 22% de la ferralla (t = 3,91, df = 16, p = 0,001). L'anàlisi de sensibilitat va revelar que un canvi de ±5% en el pes de la potència del fus va alterar les classificacions per a només l'11% de les alternatives, confirmant la robustesa del model.
4 Discussió
El domini de la potència del fus s'alinea amb el desbast d'alt parell dels aliatges de titani, cosa que corrobora el modelatge basat en l'energia d'Ezugwu (2022, pàg. 45). El valor afegit de LT-VEC reflecteix el canvi de la indústria aeroespacial cap a la fabricació "correcta a la primera" segons la norma AS9100 Rev D. Les limitacions inclouen l'enfocament de l'estudi en les peces prismàtiques; les geometries de les pales de turbina de paret fina poden accentuar els problemes de compliment dinàmic que no s'han recollit aquí. A la pràctica, els equips de compres haurien de prioritzar el protocol de tres etapes: (1) filtrar els candidats mitjançant llindars de KPI, (2) aplicar MCDM, (3) validar amb una execució pilot de 50 parts.
5 Conclusió
Un protocol validat estadísticament que integra l'anàlisi comparativa de KPI, la MCDM ponderada per entropia i la validació de proves pilot permet als fabricants aeroespacials seleccionar centres de mecanitzat de 5 eixos que redueixin la ferralla en un ≥ 20% i que compleixin els requisits de la norma AS9100 Rev D. Els treballs futurs haurien d'ampliar el conjunt de dades per incloure components de CFRP i Inconel 718 i incorporar models de cost del cicle de vida.
Un protocol validat estadísticament que integra l'anàlisi comparativa de KPI, la MCDM ponderada per entropia i la validació de proves pilot permet als fabricants aeroespacials seleccionar centres de mecanitzat de 5 eixos que redueixin la ferralla en un ≥ 20% i que compleixin els requisits de la norma AS9100 Rev D. Els treballs futurs haurien d'ampliar el conjunt de dades per incloure components de CFRP i Inconel 718 i incorporar models de cost del cicle de vida.
Data de publicació: 19 de juliol de 2025
