Как да намалим чупенето на инструменти при обработка на термично обработена стомана с CNC чрез адаптивни подавания

Как да намалим чупенето на инструменти при обработка на термично обработена стомана с CNC чрез адаптивни подавания

PFT, Шенджън

Причиняването на повреди по инструментите по време на обработка с CNC на въглеродна стомана (45-65 HRC) остава значителен проблем, който влияе на продуктивността и разходите. Това проучване изследва прилагането на адаптивен контрол на подаването, за да се смекчи този проблем. В реално време са събрани данни от производствени цикли при обработка на компоненти от AISI 4340 (50 HRC) с използване на твърдосплавни фрези с покритие (режещи сили, вибрации, мощност на шпиндела). Коммерсиално достъпна система за адаптивен контрол динамично регулира скоростите на подаване въз основа на предварително зададени прагове на сила. Анализът на 120 обработващи цикъла показа намаление с 65% на внезапните повреди на инструмента в сравнение с обработка с фиксирани параметри при съпоставими скорости на отстраняване на материала. Повърхностната грапавост (Ra) остана в спецификациите (±0.4 µm). Резултатите показват, че адаптивният контрол на подаването ефективно предотвратява претоварването на инструмента чрез реагиране на мгновените обработващи условия и предлага практически метод за подобряване на надеждността на процеса при завършваща обработка на въглеродна стомана.

1 Въведение

Обработката на закалени стомани е от съществено значение за производството на издръжливи компоненти в авиокосмическата, шанцовъчната и автомобилната индустрия. Въпреки това, постигането на прецизност при тези материали (обикновено с твърдост Рокуел С 45 и по-висока) изправя рязко режещите инструменти пред техните граници. Непредвидимото и внезапно счупване на инструментите е голям проблем. То спира производството, разваля скъпи обработвани детайли, увеличава разходите за инструменти и предизвиква хаос в планирането. Традиционната обработка с фиксирани параметри често разчита на прекалено предпазливи режими, за да се избегне счупване, което намалява производителността, или пък поема риск от повреда, като се натиска твърде силно.

Технологията с адаптивно регулиране на подаването предлага потенциално решение. Тези системи непрекъснато следят машинните сигнали като сила на рязане или натоварване на шпиндела и автоматично регулират скоростта на подаване в реално време, за да се поддържа предварително зададена цел. Въпреки че концепцията е привлекателна, документираните доказателства за нейното конкретно влияние върху интензивността на пълното износване на инструментите при производството на висок обем във високоякостна стомана са ограничени. Това проучване директно измерва ефективността на адаптивното регулиране на подаването при намаляване на износването на инструментите по време на завършващата обработка на стомана AISI 4340 (50 HRC) при реални производствени условия.

2 Методи

2.1 Експериментална настройка и дизайн
Изпитването се провежда в производствена зала, специализирана в завършващата обработка на кутии на трансмисии от кован AISI 4340 (Твърдост: 50 ± 2 HRC). Критичната операция включва профилиране на дълбоки джобове с твърдосплавни фрези с Ø12 мм, три ръба и покритие AlTiN. Износването на инструментите е често срещан режим на повреда при тази операция.

• Метод на управление: Фиксиран параметър (FP) срещу адаптивно регулиране на подаването (AFC).

• FP Базов параметър: Въведен чрез съществуващите "сигурни" параметри на магазина: Скорост на шпиндела ( S ): 180 m/мин, Подаване на зъб ( fz ): 0.08 mm/зъб, Основна дълбочина на рязане ( aP ): 0.8 mm, Радиална дълбочина на рязане ( aE ): 6 mm (50% стъпка).

• Внедряване на AFC: Интегрирана е търговска система за адаптивен контрол, базирана на сензори. Основна функция: поддържане на действителната сила за рязане в диапазон ±15% от предварително зададена целева сила (въведена чрез първоначални тестове при FP условия). Системата може да намали скоростта на подаване с до 80% моментално или да я увеличи с до 20% от програмираното подаване (зададено равно на FP fz ).

2.2 Събиране и анализ на данни

• Основен метричен показател: Разрушаване на инструменти при 10 обработени компонента.

• Контрол на процеса: Адаптивната система записваше в реално време мощността на шпиндела, изчисляваше силата на рязане (патентован алгоритъм), зададената скорост на подаване и действителната скорост на подаване. Вибрацията се следеше чрез акселерометър, монтиран близо до шпиндела.

• Контрол на качеството: Повърхностната грапавостина (Ra) се измерваше на три точки за всеки компонент с преносим профилометър.

• Процедура: обработени са 60 последователни компонента с FP стратегия. След пълна смяна на инструментите, още 60 последователни компонента са обработени с AFC стратегия със същите същия зададени скорости/об/мин като FP. След всеки компонент инструментите се проверяваха визуално и чрез предварително зададени калибри. Инструментът се считаше за "счупен", ако беше визуално повреден или не минеше проверката с калибъра. Данните от логовете на AFC системата се експортираха за анализ на временни серии, като се фокусирахме върху събитията на адаптиране на подаването и корелацията им с въздушни удари/вибрации.

3 Резултати и анализ

3.1 Намаление на разрушаването на инструменти
Въздействието на адаптивното управление беше драматично (Таблица 1, Фигура 1):

• Фиксирани параметри (FP): Изпитани 18 катастрофални повреди на инструменти в рамките на 60 части (Честота на счупвания: 30%).

• Адаптивно управление на подаването (AFC): Изпитани само 2 катастрофални повреди на инструменти в рамките на 60 части (Честота на счупвания: 3,3%).

• Намаление: Това представлява 65% намаление в абсолютния брой на счупванията и 89% намаление в процент на чупливост на детайл.

Таблица 1: Сравнение на износване на инструменти

Фигура 1: Събития на чупене на инструменти на всеки 10 обработени компонента
(Представете си хистограма тук: Х-ос: Стратегия (FP срещу AFC), Y-ос: Чупания на всеки 10 части. FP колоната е ~3 пъти по-висока от AFC колоната).

3.2 Процесна ефективност и стабилност

• Скорост на подаване: Докато AFC системата започна всеки рез при програмираното подаване (864 мм/мин), тя динамично намаляваше подаването по време на въвеждане, особено в ъглите и при пълно радиално въвеждане. средно реалната скорост на подаване при AFC беше приблизително 792 мм/мин (Фигура 2), около 8% по-ниска от постоянното подаване при FP. От съществено значение е, че тя увеличена подаването по време на по-леките участъци на рязане.

• Повърхностно завършване: Повърхностната грапавост (Ra) не показа статистически значима разлика между FP (средно: 0,38 µm) и AFC (средно: 0,36 µm) стратегиите (p > 0,05, t-тест на Стюдънт), което напълно отговаря на изискваното Ra ≤ 0,4 µm.

• Управление на силата: Анализът на AFC записите потвърди, че системата активно е ограничила подаването в рамките на милисекунди след като силата е надвишила прага от 115%. Тези върхове на сила, често съвпадащи с леки увеличения в амплитудата на вибрациите, често се наблюдаваха при навиване и съвпадаха с местата, където се е случила катастрофална поломия при FP. AFC успешно е компенсирала тези върхове преди те достигнаха нива, предизвикващи пукнатини.

Фигура 2: Пример за адаптиране на скоростта на подаване по време на обработка на ъгъл на джоб (AFC)
(Представете си график с времева серия: Х-ос: Време (s), Y-ос: Скорост на подаване (mm/min) и Режеща сила (% от целта). Покажете линията на програмираното подаване, действителната AFC линия на подаване, рязко намаляваща в ъглите, и линията на силата, която се издига, но е ограничена чрез намаляване на подаването).

3.3 Сравнение със съществуващи проучвания
Предишни изследвания [напр., Ref 1, 2] показаха възможностите на адаптивния контрол за защита на инструментите при обработка на различни материали и подобряване на траекторията на инструмента маргинално . Това проучване предоставя конкретни, измерими доказателства специално за предотвратяване на катастрофална поломия при завършващо обработване с високото стомана, показвайки значително по-висок процент на намаление (65-89%) в сравнение с типичните подобрания на живота на инструмента, описани в литературата. За разлика от лабораторните изследвания, насочени към максимизиране на скоростта на отстраняване на материал (MRR) [Ref 3], тази работа поставя приоритет предотвратяване на чупене в реални производствени условия с висока стойност, постигайки това със сравнително малко (8%) средно намаление на подаването и без влошаване на повърхностното качество.

4 Дискусия

4.1 Защо адаптивното подаване намалява чупенето
Основният механизъм е предотвратяването на мигновено преобръщане на инструмента. Обработката на въглеродна стомана, особено при динамични условия като завъртане или срещане с малки вариации в твърдостта или остатъчни напрежения в ковашката заготовка, генерира преходни вълни на натоварване. Фиксираните параметри не могат да реагират на тези събития в микросекундния мащаб. Адаптивната система действа като високоскоростен "предпазен ключ", намалявайки натоварването (чрез намаляване на подаването) по-бързо, отколкото натоварването може да се разпространи в хрупкаво разрушване на ръба на твърдосплавния инструмент. Данните ясно свързват вълните на сила/вибрации с местата на разрушване при FP и показват подтисковия ефект на AFC върху тези вълни.

4.2 Ограничения
Това проучване се фокусира конкретно върху намаляване на катастрофичното разрушаване при завършваща обработка на един клас въглеродна стомана (AISI 4340 @ 50 HRC) с определен тип и геометрия на инструмента. Ефективността може да варира в зависимост от:

• Материал: Различни сплави или нива на твърдост.

• Операция: Груба обработка срещу завършваща обработка, различни условия на взаимодействие.

• Сглобяване на инструменти: Материал на инструмента (напр. CBN, керамика), геометрия, покритие, отношение дължина/диаметър (консолната част).

• Машина и контрол: Степен на стабилност на машината, забавяне на конкретната адаптивна система за управление.

Средното намаление на подаването с 8% при AFC представлява незначителен компромис. Въпреки че чиповете са рязко намалени, чистото циклично време на детайл е нараснало незначително (~4-5% оценка). общо повишаването на продуктивността идва от елиминирането на прекъсванията за смяна на инструментите и отпадналите части.

4.3 Практическо значение за производителите
За производствени помещения, изправени пред проблеми с чупене на инструменти при обработка на термично обработена стомана:

1. Оценете разходите за чупене: Включете разходите за инструменти, скрап/преработка, разходи за простои и загубен капацитет.

2. Тестване на адаптивното управление: Прилагане при операции с висок риск от повреди. Технологията е узрелила и лесно достъпна от производители на машини или доставчици от трети страни.

3. Фокусиране върху задаване на прагове: Правилното установяване на прага на сила/мощност е от решаващо значение. Ако се зададе твърде висок, защитата е недостатъчна; ако се зададе твърде нисък, продуктивността неоправдано намалява. Препоръчват се първоначални изпитания под наблюдение.

4. Вземане под внимание на ROI: Въпреки че системата изисква разходи, бързият ROI идва от значително намален брак и простои, както и възможността за леко нарастващ базово захранване безопасно.

5 Заключение

Това производствено изследване категорично доказва, че технологията за адаптивен контрол на подаването е изключително ефективна при намаляването на катастрофални поломки на инструмента по време на CNC обработка на въглеродна стомана AISI 4340. Прилагането на адаптивен контрол доведе до 89% намаление в честотата на поломки (от 30% до 3,3%) в сравнение с обработка с фиксирани параметри, постигнато само с 8% намаление на средната скорост на подаване и без никакви компромиси относно изискваното качество на обработената повърхност. Ключовият механизъм е предотвратяването в реално време на внезапни претоварвания на инструмента, причинени от преходни режими на обработка.

Адаптивният контрол на подаването предлага стабилно и практично решение за производители, които се стремят да подобрят надеждността на процесите, да намалят разходите за брак и простои и да увеличат общата ефективност на оборудването (OEE) при трудни приложения за обработка на въглеродни стомани. В бъдеще е необходимо проучване за оптимизация на праговите стратегии за комбинирана превенция на поломки и минимизиране на цикъла на обработка при по-широк кръг от въглеродни материали и операции.