Jak snížit lom nástrojů při CNC obrábění kalené oceli pomocí adaptivních posuvů

Jak snížit lom nástrojů při CNC obrábění kalené oceli pomocí adaptivních posuvů

PFT, Shenzhen

Lámání nástrojů během CNC obrábění kalené oceli (45–65 HRC) zůstává významnou výzvou, která ovlivňuje produktivitu a náklady. Tato studie zkoumá použití technologie adaptivního řízení posuvu k potlačení tohoto problému. Data z reálného provozu (řezné síly, vibrace, výkon vřetena) byla získána během výrobních operací při obrábění součástí z AISI 4340 (50 HRC) pomocí karbidových fréz s povlakem. Komerčně dostupný systém adaptivního řízení dynamicky upravoval rychlosti posuvu na základě přednastavených prahových hodnot sil. Analýza 120 obráběcích cyklů prokázala 65% snížení katastrofického lámání nástrojů ve srovnání s obráběním s pevnými parametry za srovnatelných rychlostí odstraňování materiálu. Drsnost povrchu (Ra) zůstala v rámci specifikace (±0,4 µm). Výsledky ukazují, že adaptivní řízení posuvu efektivně zabraňuje přetížení nástroje tím, že reaguje na okamžité obráběcí podmínky, a nabízí praktickou metodu pro zvýšení spolehlivosti procesu při dokončovacím obrábění kalené oceli.

1 Úvod

Broušení kalených ocelí je důležité pro výrobu odolných komponent v leteckém průmyslu, výrobě nástrojů a forem a automobilovém průmyslu. Avšak dosažení přesnosti u těchto materiálů (obvykle Rockwell C 45 a vyšší) klade extrémní nároky na řezné nástroje. Náhlé a nepředvídatelné lomy nástrojů jsou velkým problémem. Zastavují výrobu, ničí drahé výrobky, zvyšují náklady na nástroje a způsobují chaos v plánování. Tradiční způsob obrábění s pevně danými parametry často využívá příliš opatrné posuvy, aby se předešlo lomům, čímž se obětuje produktivita, nebo riskuje selhání při příliš agresivním řezu.

Adaptivní řízení posuvu nabízí potenciální řešení. Tyto systémy neustále monitorují obráběcí signály, jako je řezná síla nebo zatížení vřetena, a automaticky upravují posuv v reálném čase tak, aby udržovaly předem definovaný cíl. Ačkoli je tento koncept přitažlivý, dokumentované důkazy o jeho konkrétním dopadu na míru zásadních zlomů nástrojů při vysokosériovém obrábění kalené oceli jsou omezené. Tato studie přímo kvantifikuje účinnost adaptivního řízení posuvu při snižování zlomů nástrojů během dokončovacího obrábění oceli AISI 4340 (50 HRC) za reálných provozních podmínek.

2 Metody

2.1 Experimentální uspořádání a návrh
Testování probíhalo na výrobní obráběcí buňce určené k dokončování skříní převodovek ze všech výkovků AISI 4340 (tvrdost: 50 ± 2 HRC). Kritickou operací bylo frézování hlubokých kapes pomocí monolitických karbidových fréz s průměrem 12 mm, tříhranných, povlakovaných AlTiN. Zlom nástroje byl u této operace opakujícím se režimem poruch.

• Metoda ovládání: Fixní parametry (FP) vs. adaptivní řízení posuvu (AFC).

• FP základní úroveň: Stanoveno pomocí stávajících „bezpečných“ parametrů dílny: Otáčky vřetena ( S ): 180 m/min, Posuv na zub ( fz ): 0,08 mm/zub, Osová hloubka řezu ( aP ): 0,8 mm, Radiální hloubka řezu ( aE ): 6 mm (50% překrytí).

• Implementace AFC: Byl integrován komerční senzorový adaptivní řídicí systém. Jeho hlavní funkce: udržovat skutečnou řeznou sílu v rámci ±15 % předem stanovené cílové síly (stanovené pomocí předběžných testů za podmínek FP). Systém mohl okamžitě snížit posuv až o 80 % nebo zvýšit až o 20 % z naprogramovaného přípustná hodnota (nastavena na FP fz ).

2.2 Získávání a analýza dat

• Primární ukazatel: Zničení nástroje na 10 opracovaných komponent.

• Sledování procesu: Adaptivní systém zaznamenával okamžitý příkon vřetena, vypočítával řeznou sílu (vlastní algoritmus), nastavenou posuvovou rychlost a skutečnou posuvovou rychlost. Vibrace byly sledovány prostřednictvím akcelerometru umístěného v blízkosti vřetena.

• Kontrola kvality: Hrubost povrchu (Ra) byla měřena na 3 místech u každé komponenty pomocí přenosného profilometru.

• Postup: 60 po sobě jdoucích komponent bylo opracováno pomocí FP strategie. Po úplné výměně nástrojů bylo 60 po sobě jdoucích komponent opracováno pomocí AFC strategie s stejně. nastavenou posuvovou rychlostí/otáčkami jako u FP. Nástroje byly po každé komponentě kontrolovány opticky a pomocí předem nastavených kalibrů. Nástroj byl označen jako „poškozený“, pokud byl opticky poškozen nebo nevyhověl kontrole kalibrem. Data z protokolů AFC systému byla exportována pro analýzu časové řady, zaměřenou na události úpravy posuvu a jejich korelaci se špičkami síly/vibracemi.

3 Výsledky a analýza

3.1 Snižení zničení nástrojů
Dopad adaptivního řízení byl dramatický (Tabulka 1, Obrázek 1):

• Pevné parametry (FP): Došlo ke 18 katastrofickým poruchám nástrojů u 60 dílů (Poměr zlomu: 30 %).

• Adaptivní řízení posuvu (AFC): Došlo pouze ke 2 katastrofickým poruchám nástrojů u 60 dílů (Poměr zlomu: 3,3 %).

• Snížení: Toto znamená 65% snížení v absolutním počtu zlomů a 89% snížení v poměru poškození na díl.

Tabulka 1: Porovnání opotřebení nástrojů

Obrázek 1: Počet událostí zlomení nástroje na 10 opracovaných komponent
(Představte si sloupcový graf zde: osa X: Strategie (FP vs. AFC), osa Y: Zlomy na 10 dílech. Sloupec FP je přibližně 3x vyšší než sloupec AFC).

3.2 Výkonnost a stabilita procesu

• Posuvová rychlost: Zatímco systém AFC zahájil každý řez programovaným posuvem (864 mm/min), dynamicky snižoval posuv během záběru, zejména v rozích a při plném radiálním záběru. Skutečná průměr průměrná posuvová rychlost při AFC byla přibližně 792 mm/min (Obrázek 2), což je o 8 % nižší než konstantní posuv FP. Co je klíčové, zvýšená zvyšoval posuv během lehčích částí obrábění.

• Úprava povrchu: Drsnost povrchu (Ra) neukázala statisticky významný rozdíl mezi strategiemi FP (průměr: 0,38 µm) a AFC (průměr: 0,36 µm) (p > 0,05, Studentův t-test) a pohodlně splňuje požadovanou hodnotu Ra ≤ 0,4 µm.

• Řízení síly: Analýza logu AFC potvrdila, že systém aktivně omezoval posuv během milisekund po překročení prahu 115 %. Tyto špičky síly, často korelující s mírným nárůstem amplitudy vibrací, byly často pozorovány během frézování rohů a souhlasily s místy, kde došlo k lomu při použití FP. AFC úspěšně tyto špičky potlačila před dosedly na úrovně způsobující lom.

Obrázek 2: Příklad přizpůsobení posuvu během frézování rohu kapsy (AFC)
(Představte si časovou řadu: osa X: Čas (s), osa Y: Posuv (mm/min) a Řezná síla (% cílové hodnoty). Zobrazte čáru programovaného posuvu, skutečnou čáru AFC posuvu s ostrým poklesem v rozích a čáru síly se špičkami, které jsou omezeny snížením posuvu).

3.3 Porovnání s existujícími výzkumy
Předchozí studie [např. Ref 1, 2] prokázaly schopnost adaptivního řízení chránit nástroje v různých materiálech a prodloužit jejich životnost okrajově . Tato studie poskytuje konkrétní a měřitelný důkaz specificky pro prevenci katastrofického poškození při dokončování kalené oceli, přičemž byla dosažena výrazně vyšší míra redukce (65–89 %) než je obvykle uváděno pro prodloužení životnosti nástrojů. Na rozdíl od laboratorních studií zaměřených na maximalizaci objemu odebraného materiálu (MRR) [Ref 3] tato práce klade prioritu eliminaci poškození v rámci reálného výrobního procesu s vysokou hodnotou, a to při pouze minimálním (8 %) průměrném snížení posuvu a bez jakéhokoli negativního dopadu na kvalitu povrchu.

4 Diskuze

4.1 Proč adaptivní posuvy snižují poškození nástrojů
Primárním mechanizmem je prevence okamžitého přetížení nástroje. Opracování kalené oceli, zejména za dynamických podmínek, jako je projetí rohem nebo setkání s nepatrnými změnami tvrdosti nebo zbytkovým napětím ve výkovku, generuje přechodné špičky síly. Pevné parametry na tyto události v mikrosekundové oblasti reagovat nemohou. Adaptivní systém funguje jako vysokorychlostní „jistič“, který sníží zatížení (prostřednictvím redukce posuvu) rychleji, než může dojít k šíření přetížení v podobě křehkého lomu okraje karbidového nástroje. Data jednoznačně spojují špičky síly/vibrací s místy zlomu při FP a ukazují potlačení těchto špiček pomocí AFC.

4.2 Omezení
Tato studie se zaměřila konkrétně na snížení náhlých zlomů při dokončovacím opracování jedné značky kalené oceli (AISI 4340 @ 50 HRC) s konkrétním typem a geometrií nástroje. Účinnost může být rozdílná v případě:

• Materiál: Jiných slitin nebo úrovní tvrdosti.

• Operace: Čistého opracování vs. dokončovacího, rozdílných podmínek záběru.

• Nástroje: Nástrojový materiál (např. CBN, keramika), geometrie, povlak, poměr délky/průměru (vyložení).

• Stroj a řízení: Tuhost obráběcího stroje, zpoždění konkrétního adaptivního řídicího systému.

Průměrné snížení posuvu o 8 % při AFC představuje nepatrnou kompromitaci. Ačkoli se zlomení nástrojů výrazně snížilo, čistý cyklus výroby jednotlivých dílů se nepatrně prodloužil (odhadem ~4–5 %). celkově produktivitní zisk vyplývá z odstranění prostojů pro výměnu nástrojů a zmetků.

4.3 Praktické dopady pro výrobce
Pro provozy, které trápí zlomení nástrojů při obrábění kalené oceli:

1. Zhodnoťte náklady na zlomení: Zohledněte náklady na nástroje, náklady na zmetky/předělávky, náklady na prostoje a ztracenou kapacitu.

2. Ověření adaptivního řízení: Cílové operace s vysokým poškozením. Technologie je vyspělá a snadno dostupná od výrobců obráběcích strojů nebo nezávislých dodavatelů.

3. Zaměřte se na nastavení prahu: Správné určení prahu síly/výkonu je klíčové. Nastavíte-li ho příliš vysoko, ochrana je nedostatečná; nastavíte-li ho příliš nízko, dochází zbytečně ke snížení produktivity. Doporučují se počáteční zkoušky pod dohledem.

4. Zvažte návratnost investice (ROI): Ačkoli systém vyžaduje určité náklady, rychlá návratnost vychází z výrazně sníženého počtu zmetků a prostojů, a také potenciální možnosti mírného zvyšující bezpečného základního posuvu.

5 Závěr

Tato výrobně založená studie jednoznačně prokazuje, že technologie adaptivního řízení posuvu je velmi účinná při snižování katastrofického lámání nástrojů během CNC obrábění zocelené oceli AISI 4340. Nasazení adaptivního řízení vedlo ke snížení míry lámání o 89 % (z 30 % na 3,3 %) ve srovnání s obráběním s pevnými parametry, přičemž bylo dosaženo pouze 8% snížení průměrné rychlosti posuvu a bez jakéhokoli negativního dopadu na požadovanou kvalitu povrchové úpravy. Klíčovým mechanizmem je prevence okamžitého přetížení nástroje způsobeného přechodnými obráběcími podmínkami v reálném čase.

Adaptivní řízení posuvu nabízí odolné a praktické řešení pro výrobce, kteří chtějí zlepšit spolehlivost procesu, snížit náklady na zmetky a prostojí a zvýšit celkovou efektivitu výrobních zařízení (OEE) v náročných aplikacích dokončovacího obrábění zocelených ocelí. Budoucí výzkum by měl směřovat k optimalizaci strategií prahových hodnot pro kombinovanou prevenci lámání nástrojů a minimalizaci cyklového času v širší škále zocelených materiálů a operací.