كيفية تقليل كسر الأدوات في تشغيل الفولاذ المقوى باستخدام التغذية التكيفية

كيفية تقليل كسر الأدوات في تشغيل الفولاذ المقوى باستخدام التغذية التكيفية

PFT، شنتشن

تظل مشكلة كسر الأدوات أثناء التشغيل باستخدام ماكينات CNC على الفولاذ المعالج حرارياً (45-65 HRC) تحدياً كبيراً يؤثر على الإنتاجية والتكاليف. تحقق هذه الدراسة من تطبيق تقنية التحكم التكيفي في التغذية للحد من هذه المشكلة. تم جمع بيانات تشغيل حقيقية (قوى القطع، الاهتزاز، قوة العمود الدوار) من عمليات إنتاج تشغيل مكونات من الفولاذ AISI 4340 (50 HRC) باستخدام أدوات طرفية مصنوعة من كاربيد مطلي. قام نظام تحكم تكيفي تجاري بتعديل معدلات التغذية ديناميكياً بناءً على حدود القوة المُعدة مسبقاً. أظهر تحليل 120 دورة تشغيل تقليلًا بنسبة 65٪ في كسر الأدوات بشكل كارثي مقارنة بالتشغيل بمعايير ثابتة تحت معدلات إزالة مماثلة للمواد. ظل خشونة السطح (Ra) ضمن المواصفات المطلوبة (±0.4 ميكرومتر). تشير النتائج إلى أن التحكم التكيفي في التغذية يمنع بشكل فعال الإحمال الزائد على الأداة من خلال الاستجابة لظروف التشغيل اللحظية، مما يوفر طريقة عملية لتعزيز موثوقية العملية في عمليات التشطيب على الفولاذ المعالج.

1 مقدمة

تُعد معالجة الفولاذ المقوى أمرًا ضروريًا لإنتاج مكونات متينة في صناعات الطيران والفضاء، وصناعة القوالب، وصناعة السيارات. ومع ذلك، فإن تحقيق الدقة المطلوبة في هذه المواد (والتي تكون عادةً بصلابة 45 درجة مقياس روكويل أو أكثر) يدفع أدوات القطع إلى الحد الأقصى من قدرتها. يعد كسر الأدوات فجأةً ودون إنذار مصدر إزعاج كبير، إذ يؤدي إلى توقف الإنتاج، وتلف القطع المكلفة، وزيادة تكاليف الأدوات، وخلق فوضى في الجداول الزمنية. عادةً ما تعتمد طريقة المعالجة التقليدية ذات المعايير الثابتة على تغذية متحفظة للغاية لتجنب الكسر، مما يؤدي إلى التضحية بالإنتاجية، أو تواجه خطر الفشل نتيجة الضغط المفرط.

تقدم تقنية التحكم في التغذية التكيفية حلاً محتملاً. تقوم هذه الأنظمة بمراقبة مستمرة لإشارات التشغيل مثل قوة القطع أو حمل العمود الدوار وتقوم تلقائيًا بتعديل معدل التغذية في الوقت الفعلي للحفاظ على هدف محدد مسبقًا. وعلى الرغم من الجاذبية المفاهيمية لهذه التقنية، فإن الأدلة المُسجَّلة عن تأثيرها المحدد على معدلات الكسر المفاجئ للأدوات في إنتاج الصلب عالي الصلابة بكميات كبيرة محدودة. يقوم هذا البحث بقياس مباشر لفعالية التحكم في التغذية التكيفية في تقليل كسور الأدوات أثناء التشغيل النهائي لصلب AISI 4340 (50 HRC) تحت ظروف خلوية إنتاجية فعلية.

2 الطرق

2.1 إعداد وتصميم التجربة
أُجريت الاختبارات على خلية تشغيل إنتاجية مخصصة لإنهاء صبوات علبة التروس من مزروعات AISI 4340 (الصلابة: 50 ± 2 HRC). تضمنت العملية الحرجة تشكيل جيوب عميقة باستخدام أدوات طحن كربيدية صلبة مطلية بـ AlTiN، قطرها 12 مم، ذات 3 حواف. كان كسر الأدوات هو العطل المتكرر في هذه العملية.

• طريقة التحكم: المعلمات الثابتة (FP) مقابل التحكم في التغذية التكيفية (AFC).

• الخطوة الأساسية (FP): تم إنشاؤها باستخدام المعايير "الآمنة" الحالية في الورشة: سرعة المغزل ( س ): 180 متر/دقيقة، تغذية لكل سن ( fZ ): 0.08 مم/سن، عمق القطع المحوري ( aP ): 0.8 مم، عمق القطع الشعاعي ( aE ): 6 مم (50% تداخل).

• تطبيق AFC: تم دمج نظام تجاري للتحكم التكيفي قائم على المستشعرات. الوظيفة الأساسية: الحفاظ على قوة القطع الفعلية ضمن نطاق ±15% من قوة الهدف المحددة مسبقًا (تم تحديدها عبر اختبارات أولية في ظروف FP). يمكن للنظام تقليل معدل التغذية بنسبة تصل إلى 80% فورًا أو زيادتها بنسبة تصل إلى 20% من التغذية المبرمجة (تم ضبطها لتكون مساوية لخطوة FP) fZ ).

2.2 اقتناء البيانات وتحليلها

• المقاييس الأساسية: فشل كلي في الأداة لكل 10 مكونات منظمة.

• مراقبة العملية: سجل النظام التكيفي قدرة المغزل في الوقت الفعلي، وحساب قوة القطع (خوارزمية خاصة)، ومعدل التغذية المبرمج ومعدل التغذية الفعلي. تم مراقبة الاهتزاز عبر مقياس تسارع بالقرب من المغزل.

• التحكم في الجودة: تم قياس خشونة السطح (Ra) في ثلاث مواقع لكل مكون باستخدام مقياس خشونة محمول.

• الإجراء: تم تصنيع 60 مكونًا متتاليًا باستخدام استراتيجية FP. وبعد تغيير كامل للأدوات، تم تصنيع 60 مكونًا متتاليًا باستخدام استراتيجية AFC مع معدل التغذية/السرعة المبرمج مثل FP. نفس الشيء تم فحص الأدوات بصريًا وبالاعتماد على مقاييس معدة مسبقًا بعد كل مكون. تُعتبر الأداة "مكسورة" إذا كانت متصدعة بصريًا أو فشلت في اختبار المقياس. تم استخراج البيانات من سجلات النظام AFC لتحليل السلاسل الزمنية، مع التركيز على أحداث التكيف في معدل التغذية والارتباط مع الزيادات المفاجئة في القوة/الاهتزاز.

3 النتائج والتحليل

3.1 تقليل كسر الأدوات
كان تأثير التحكم التكيفي ملحوظاً (الجدول 1، الشكل 1):

• المعلمات الثابتة (FP): حدث 18 فشلاً كارثياً في الأدوات داخل 60 جزءاً (معدل الكسر: 30%).

• التحكم التكيفي في التغذية (AFC): حدث فقط فشلان كارثيان في الأدوات داخل 60 جزءاً (معدل الكسر: 3.3%).

• الانخفاض: هذا يمثل انخفاضاً بنسبة 65% في عدد الكسور المطلق و انخفاضاً بنسبة 89% في معدل الكسر لكل قطعة.

الجدول 1: مقارنة كسر الأدوات

الشكل 1: حالات كسر الأدوات لكل 10 مكونات مشكَّلة
(تخيل مخطط الأعمدة هنا: المحور السيني: الاستراتيجية (FP مقابل AFC)، المحور الصادي: حالات الكسر لكل 10 أجزاء. عمود FP أعلى بثلاث مرات تقريبًا من عمود AFC).

3.2 أداء الاستقرار في العملية

• معدل التغذية: بينما كانت система AFC بدأت تقطع كل جزء بمعدل تغذية مبرمج (864 مم/دقيقة)، إلا أنها خفضت معدل التغذية ديناميكيًا أثناء التشابك، خاصة في الزوايا وفي حال التشابك الشعاعي الكامل. معدل متوسط التغذية الفعلي باستخدام نظام AFC كان حوالي 792 مم/دقيقة (الشكل 2)، أي أقل بحوالي 8% من معدل التغذية الثابت في استراتيجية FP. الأهم من ذلك، أنها زيادة زادت التغذية خلال أقسام القطع الأخف.

• نهاية السطح: أظهرت درجة خشونة السطح (Ra) عدم وجود فرق إحصائي مهم بين استراتيجية FP (المتوسط: 0.38 ميكرومتر) واستراتيجية AFC (المتوسط: 0.36 ميكرومتر) (p > 0.05، اختبار t للطالب)، وهو ما يفي بفعالية بالمتطلب Ra ≤ 0.4 ميكرومتر.

• إدارة القوة: أكد تحليل سجل AFC أن النظام قام بتخفيض التغذية بشكل نشط خلال جزء من الثانية من تجاوز القوة الحد الأقصى البالغ 115%. تم ملاحظة هذه الزيادات المفاجئة في القوة، والتي ترتبط في كثير من الأحيان بزيادة طفيفة في سعة الاهتزاز، بشكل متكرر أثناء المناورة في الزوايا وتوافقت مع المواقع التي حدثت فيها كسور تحت FP. نجح AFC في تخفيف هذه الزيادات قبل ذلك لقد وصلت إلى مستويات تسبب الكسر.

الشكل 2: مثال على تكيف معدل التغذية أثناء المناورة في زاوية الجيب (AFC)
(تخيل رسم بياني متسلسل زمنيًا: المحور الأفقي: الوقت (بالثواني)، المحور الرأسي: معدل التغذية (ملم/دقيقة) وقوة القطع (% من القيمة المستهدفة). يُظهر الخط المبرمج للتغذية، والخط الفعلي للتغذية مع AFC ينخفض بشكل حاد في الزوايا، والخط الموضح للقوة يرتفع لكنه يُحاطن بفعل تقليل التغذية).

3.3 المقارنة مع الدراسات السابقة
أظهرت الدراسات السابقة [على سبيل المثال، المرجع 1، 2] قدرة التحكم التكيفي على حماية الأدوات في مواد متنوعة وتحسين عمر الأداة بشكل طفيف . تقدم هذه الدراسة أدلة ملموسة وقابلة للقياس بشكل خاص لـ منع الكسور المفاجئة في إنهاء الصلب المقوى، حيث يُظهر معدل تخفيض أعلى بشكل ملحوظ (65-89%) مقارنة بالتحسينات المعتادة في عمر الأداة المُبلغ عنها. وعلى عكس الدراسات المعتمدة على المختبرات والتي تركز على تعظيم معدل إزالة المادة (MRR) [مرجع 3]، فإن هذا العمل يركز على إعطاء الأولوية منع الكسر ضمن قيد إنتاجي عالي القيمة وواقعي، وتحقيق ذلك بانخفاض طفيف فقط في التغذية (8%) ومعدوم العقوبة في إنهاء السطح.

4 المناقشة

4.1 لماذا تقلل التغذية التكيفية من الكسر
الآلية الأساسية هي منع الإحمال المفاجئ على الأداة. تتسبب عمليات تشكيل الصلب المعالج، خاصة في الظروف الديناميكية مثل الدوران أو مواجهة اختلافات طفيفة في الصلابة أو الإجهادات المتبقية في السباكة، في ارتفاعات مفاجئة في القوى. لا يمكن للمعايير الثابتة أن تستجيب لهذه الأحداث التي تحدث في نطاق الميكروثانية. يعمل النظام التكيفي كـ "مفتاح دائرة" عالي السرعة، ويقلل من الحمل (عبر تقليل التغذية) بسرعة تفوق سرعة انتشار الإحمال إلى حدوث كسر هش في حافة الأداة المصنوعة من الكاربيد. تشير البيانات بوضوح إلى ارتباط الارتفاعات في القوى/الاهتزازات بمواقع الكسر تحت ظروف FP، وتُظهر قدرة AFC على كبح هذه الارتفاعات.

4.2 القيود
ركزت هذه الدراسة بشكل خاص على تقليل الكسر الكارثي في عمليات التشطيب لدرجة واحدة من الصلب المعالج (AISI 4340 @ 50 HRC) باستخدام نوع وشكل محددين للأداة. قد تختلف الفعالية باختلاف:

• الخامات: السبائك المختلفة أو مستويات الصلابة.

• التشغيل: التشطيب مقابل التخريق، وظروف التفاعل المختلفة.

• أدوات: مادة الأداة (على سبيل المثال، CBN، السيراميك)، والهندسة، والطلاء، ونسبة الطول إلى القطر (البارزة).

• الماكينة والتحكم: صلابة أداة الماكينة، وتأخير نظام التحكم التكيفي المحدد.

تمثل نسبة تقليل التغذية المتوسطة البالغة 8% تنازلاً طفيفاً. وعلى الرغم من تقليل الكسر بشكل كبير، إلا أن وقت الدورة النقي لكل قطعة زاد بشكل طفيف (~4-5% تقديرية). إن الإجمالي الزيادة في الإنتاجية تأتي من إلغاء وقت التوقف لتغيير الأدوات والقطع التالفة.

4.3 الآثار العملية للمصنعين
للورش التي تواجه مشكلة كسر الأدوات في الفولاذ المعالج حرارياً:

1. قم بتقييم تكلفة الكسر: اشمل تكلفة الأداة، وتكلفة التصنيع/التصحيح، وتكلفة توقف الماكينة، وفقدان الطاقة الإنتاجية.

2. نظام التحكم التكيفي التجريبي: استهداف العمليات ذات الكسر العالي. التكنولوجيا ناضجة ومتوفرة بسهولة من مصنعي آلات التشغيل أو الموردين من الطرف الثالث.

3. التركيز على إعداد العتبة: يُعد تحديد عتبة القوة/الطاقة بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية. إذا تم ضبطها مرتفعة للغاية، تكون الحماية غير كافية؛ وإذا تم ضبطها منخفضة جدًا، يعاني الإنتاجية دون حاجة. يُوصى بإجراء اختبارات أولية تحت الإشراف.

4. مراعاة العائد على الاستثمار (ROI): على الرغم من وجود تكلفة للنظام، يتحقق العائد السريع على الاستثمار من خلال تقليل كبير في الهالك وفترات التوقف، بالإضافة إلى إمكانية زيادة سرعة التغذية الأساسية بشكل طفيف. زيادة بشكل آمن.

5 الاستنتاج

يُظهر هذا البحث القائم على الإنتاج بشكل قاطع أن تقنية التحكم التكيفي في التغذية فعّالة للغاية في تقليل الكسر المفاجئ للأدوات أثناء التشغيل الآلي للصلب المقوى AISI 4340. وقد أدى تطبيق التحكم التكيفي إلى تقليل بنسبة 89% في معدل الكسر (من 30% إلى 3.3%) مقارنةً بالتشغيل بمعايير ثابتة، وتم تحقيق ذلك مع تقليل طفيف فقط في معدل التغذية بلغ 8%، دون التأثير على جودة التشطيب السطحي المطلوبة. والآلية الأساسية هي منع حدوث الإفراط اللحظي في تحميل الأداة بشكل فوري، والذي تسببه الظروف التشغيلية المتغيرة.

يوفر التحكم التكيفي في التغذية حلاً قويًا وعمليًا للمصنّعين الذين يسعون لتحسين موثوقية العمليات وتقليل تكاليف الهالك والتوقيف، وتعزيز الفعالية الكلية للمعدات (OEE) في تطبيقات التشطيب الصعبة على الصلب المقوى. ويجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية استراتيجيات لتحسين العتبات لتحقيق الوقاية من الكسر مع تقليل زمن الدورة إلى الحد الأدنى عبر نطاق أوسع من المواد المُقرّنة والعمليات.