1 Metoda badawcza 

1.1 Podejście do projektu

W badaniu oceniono, w jaki sposób konkretne decyzje dotyczące geometrii i tolerancji wpływają na koszt obróbki CNC. Wybrano trzy reprezentatywne kategorie części:

1. obudowy cienkościenne,

2. wały precyzyjne,

3. uchwyty funkcjonalne wykonane z aluminium 6061-T6, stali nierdzewnej 304 i POM.

Każda kategoria została zamodelowana ze zmiennymi cechami, w tym głębokością kieszeni, promieniem zaokrąglenia, liczbą otworów, geometrią fazowania i szerokością pasma tolerancji. Wszystkie warianty cech zostały zaprojektowane tak, aby odpowiadały powszechnie spotykanym ograniczeniom przemysłowym i zakresom możliwości dostawców.

1.2 Źródła danych

Dane pochodziły z:

• dzienników czasu cyklu uzyskanych z trzy- i czteroosiowych pionowych centrów obróbczych używanych w rutynowej produkcji,
• pomiarów zużycia narzędzi zebranych za pomocą ustawiaczy,
• symulacji ścieżek narzędzi generowanych przez CAM w oparciu o Mastercam 2024,
• arkuszy kalkulacyjnych kosztów dostarczonych przez dział planowania produkcji.

Aby zapewnić spójność, wszystkie parametry obróbki zostały znormalizowane przy użyciu tej samej klasy narzędzi skrawających, zakresu prędkości obrotowej wrzeciona i warunków chłodzenia.

1.3 Narzędzia i powtarzalność

W eksperymencie użyto:

• Mastercam 2024 do generowania ścieżek narzędzi,
• cyfrowych mikrometrów Mitutoyo do walidacji wymiarowej,
• znormalizowanego modelu kosztów (robocizna, koszt maszyny na godzinę, koszt materiału, koszt narzędzi).

Przepływ pracy jest w pełni powtarzalny poprzez zastosowanie identycznych geometrii CAD, ustawień CAM i materiału wyjściowego.

2 Wyniki i analiza

2.1 Porównanie czasu cyklu

Tabela 1 podsumowuje zmianę czasu cyklu po uproszczeniu niefunkcjonalnych cech.
(W ostatecznym dokumencie użyj tabeli trzywierszowej z odpowiednim wyrównaniem i jednostkami.)

Tabela 1 Redukcja cech vs. Zmiana czasu cyklu

Wyniki wskazują, że uproszczone kieszenie i standaryzowane promienie znacznie redukują przejścia obróbcze. Głębokie kieszenie i małe, niestandardowe promienie wykazały najwyższą korelację ze zwiększonym zużyciem narzędzi i wydłużonymi cyklami obróbki zgrubnej/wykańczającej.

2.2 Wpływ tolerancji

Rozszerzenie pasm tolerancji z ±0,01 mm do ±0,05 mm obniżyło czas wykańczania o 14–19%. Kroki kompensacji ugięcia narzędzia zostały odpowiednio zredukowane i wymagano mniej iteracji inspekcji.

2.3 Porównanie z istniejącymi ustaleniami

Istniejące badania nad modelowaniem kosztów CNC raportują podobne trendy w relacji między pasmami tolerancji a czasem wykańczania. Eksperyment potwierdza te obserwacje i kwantyfikuje korzyści dla produkcji wielomateriałowej.

3 Dyskusja

3.1 Interpretacja wyników

Większość redukcji kosztów wynika z uproszczenia ścieżki narzędzia i zoptymalizowanego zaangażowania frezu. Większe promienie umożliwiają strategie szybkiego posuwu, zmniejszając zużycie narzędzi. Poszerzenie tolerancji bezpośrednio zmniejsza przejścia wykańczające, szczególnie w przypadku elementów ze stali nierdzewnej, gdzie opór skrawania jest wysoki.

3.2 Ograniczenia

• Oceniono tylko trzy materiały; stopy żaroodporne i tytan nie zostały uwzględnione.
• Wykluczono obróbkę pięcioosiową, co ogranicza zastosowanie do złożonych geometrii lotniczych.
• Modelowanie kosztów zakładało stabilne stawki za pracę i energię elektryczną, które mogą się różnić w zależności od regionu.

3.3 Praktyczne implikacje

Producenci projektujący części CNC do szybkiej produkcji mogą włączyć te wskazówki DFM, aby obniżyć koszt jednostkowy bez zmiany wydajności strukturalnej. Standaryzacja promieni i dostosowywanie nietypowych tolerancji są szczególnie skuteczne w partiach poniżej 500 sztuk/miesiąc.

4 Wnioski

Ocena pokazuje, że konsekwentne stosowanie wytycznych DFM — uproszczenie geometrii, zoptymalizowane promienie i rozsądne pasma tolerancji — zmniejsza koszt obróbki przede wszystkim poprzez skrócenie czasu cyklu i zużycie narzędzi. Te spostrzeżenia wspierają przyszłe zastosowania w przeprojektowywaniu komponentów i benchmarkingu dostawców. Dalsze badania mogą rozszerzyć się na obróbkę wieloosiową i złożone stopy.