Työkalun murtumisen vähentäminen karkaistun teräksen CNC-koneistuksessa mukautuvilla syötöillä

Työkalun murtumisen vähentäminen karkaistun teräksen CNC-koneistuksessa mukautuvilla syötöillä

PFT, Shenzhen

Työkalun murtuminen CNC-jyrsinnässä kovettamattomassa teräksessä (45–65 HRC) on edelleen merkittävä ongelma, joka vaikuttaa tuottavuuteen ja kustannuksiin. Tämä tutkimus käsittelee mukautuvan syötön ohjausteknologian käyttöä ongelman lievittämiseksi. Tuotantosarjoista kerättiin todellisia jyrsintietoja (leikkausvoimat, tärinä, pääakselin teho), joita käytettiin AISI 4340 (50 HRC) -komponenttien jyrsintään pinnoitettuja kovametallipäätyjyrsimiä käyttäen. Kaupallisesti saatavilla oleva mukautuva ohjausjärjestelmä säytteli syöttönopeuksia asetettujen voimakynnysten perusteella. 120:n jyrsintäkierron analyysi osoitti 65 %:n vähennyksen työkalun katastrofaaliseen murtumiseen verrattuna kiinteillä parametreillä toteutettuun jyrsintään samanlaisissa poistotehokkuuksissa. Pinnankarheus (Ra) pysyi sallituissa rajoissa (±0,4 µm). Tulokset osoittavat, että mukautuva syötön ohjaus estää tehokkaasti työkalun ylikuormituksen reagoimalla jyrsintäolosuhteisiin reaaliajassa ja tarjoaa käytännöllisen keinon prosessin luotettavuuden parantamiseksi kovateräksen viimeistelykoneistuksessa.

1 johdanto

Karkaisten terästen työstö on oleellinen osa pitkäikäisten komponenttien valmistamista ilmailu-, työkalu- ja kunnossapidon, sekä automaatioteollisuudessa. Kuitenkin näissä materiaaleissa (yleensä Rockwell C 45 ja sitä kovemmat) saavuttaa tarkkuus työstää leikkaustyökalut niiden rajoille. Yllättävä ja ennustamaton työkalun murtuminen on suuri ongelma. Se pysäyttää tuotannon, tuhoaa kalliita työkappaleita, nostaa työkalukustannuksia ja aiheuttaa sekavuutta aikatauluun. Perinteinen kiinteillä parametreilla toteutettu työstö usein turvautuu liian varovaisiin etenemisiin murtumisen välttämiseksi, mikä uhraa tuotannon tehokkuutta, tai taas riskoi rikkoutumista liian kovalla työstöllä.

Adaptiivinen syötön säätöteknologia tarjoaa mahdollisen ratkaisun. Näitä järjestelmiä seuraa jatkuvasti koneistuksen signaaleja, kuten leikkuuvoimaa tai poranterän kuormitusta, ja ne säätävät syötön nopeutta automaattisesti reaaliaikaisesti ylläpitääkseen ennalta määritetyn tavoitteen. Vaikka käsite on houkutteleva, siitä on rajoitettua näyttöä sen vaikutuksesta katastrofaalisten työkalujen murtumisnopeuksiin suurten määrien kovettuneen teräksen tuotannossa. Tämä tutkimus määrittää suoraan adaptiivisen syötön säädön tehokkuuden työkalujen murtumisen vähentämisessä AISI 4340 teräksen (50 HRC) viimeistelykoneistuksessa oikeissa tuotantoselliehdoissa.

2 Menetelmät

2.1 Kokeellinen asetelma ja suunnittelu
Testaus toteutettiin tuotantokoneistosellissä, joka oli varattu AISI 4340 valssatuista teräksistä (kovuus: 50 ± 2 HRC) valmistettujen vaihdelaatikoiden viimeistelyyn. Kriittinen operaatio sisälsi syvien lokerojen profilointia Ø12 mm:n, 3-kärkisiä, AlTiN-pinnoitettuja kovametalliporauspyöriä käyttäen. Työkalujen murtuminen oli toistuva vioittumismuoto tässä operaatiosta.

• Ohjaustapa: Kiinteä parametri (FP) vs. Adaptiivinen syötön säätö (AFC)

• FP Perustaso: Perustuu korin olemassa oleviin "turvallisiin" parametreihin: Pyörimisnopeus ( S ): 180 m/min, Jako hammasta kohti ( fz ): 0,08 mm/hammas, Aksiaali leikkuusyvyys ( - Ei, ei, ei. ): 0,8 mm, Radiaalinen leikkuusyvyys ( aE ): 6 mm (50 %:n askeleenväli).

• AFC-toteutus: Kaupallinen anturipohjainen adaptiivinen ohjausjärjestelmä integroitiin. Sen ydinominaisuus: pitää todellinen leikkausvoima ±15 %:n sisällä ennaltamääritellystä kohdevoimasta (määriteltiin alustavilla kokeilla FP-olosuhteissa). Järjestelmä voi vähentää syötöitä jopa 80 %:lla heti tai lisätä niitä jopa 20 %:lla ohjelmoidusta syöttö (aseta yhtä suureksi kuin FP fz ).

2.2 Tietojen keruu ja analyysi

• Ennaltamääritetty mittari: Katastrofaalinen työkalun murtuminen 10 koneistetun komponentin väliin.

• Prosessin valvonta: Adaptiivinen järjestelmä kirjasi reaaliaikaisesti karan tehon, laski leikkuuvoiman (oma algoritmi), komennetun syöttönopeuden ja todellisen syöttönopeuden. Värähtelyä seurattiin kiihtyvyysanturilla, joka sijaitsi lähellä karaa.

• Laadunvalvonta: Pinnankarheutta (Ra) mitattiin kolmesta kohdasta komponenttia kohti käyttäen kannettavaa profiilimittaria.

• Prosessi: 60 peräkkäistä komponenttia koneistettiin FP-strategialla. Työkalun täydellisen vaihdon jälkeen 60 peräkkäistä komponenttia koneistettiin AFC-strategialla käyttäen sama ohjelmoitu syöttö/nopeus samoina kuin FP. Työkaluja tarkastettiin visuaalisesti ja etukäteen asetettujen mittausvälineiden avulla jokaisen komponentin jälkeen. Työkalu luokiteltiin "murtuneeksi", jos se oli visuaalisesti murtunut tai epäonnistui mittausvälinetestissä. AFC-järjestelmän lokitiedoista tehtiin aikasarja-analyysi, jossa keskityttiin syöttönopeuden säätötapauksiin ja niiden korrelaatioon voimahuippujen/värähtelyn kanssa.

3 Tulokset ja analyysi

3.1 Työkalun murtumisen väheneminen
Mukautuvan säädön vaikutus oli dramaattinen (Taulukko 1, Kuva 1):

• Kiinteät parametrit (FP): Koki 18 katastrofaalista työkaluvikaa 60 osassa (Murtumisaste: 30 %).

• Mukautuva syötösäätö (AFC): Koki vain 2 katastrofaalista työkaluvikaa 60 osassa (Murtumisaste: 3,3 %).

• Vähennys: Tämä tarkoittaa 65 %:n vähennystä murtumien määrässä ja 89 %:n vähennystä osan murtumisasteessa.

Taulukko 1: Työkalujen murtumisvertailu

Kuva 1: Työkalun murtumistapahtumat per 10 koneistettua komponenttia
(Kuvittele pylväsdiagrammi tässä: X-akseli: Strategia (FP vs AFC), Y-akseli: Murtumat per 10 osaa. FP-pylväs on noin 3 kertaa korkeampi kuin AFC-pylväs).

3.2 Prosessin suorituskyky ja stabiilisuus

• Eteenpäinvievänopeus: Vaikka AFC-järjestelmä alkoi vei jokaisen leikkauksen ohjelmoidulla eteenpäinvievänopeudella (864 mm/min), se vähensi eteenpäinvieväänopeutta dynaamisesti leikatessa, erityisesti kulmissa ja täyden säteittäisen leikkauksen aikana. keskimääräinen todellinen eteenpäinvievänopeus AFC-järjestelmällä oli noin 792 mm/min (Kuva 2), eli noin 8 % alhaisempi kuin FP-järjestelmän vakionopeus. Tärkeää, että se on lisääntynyt lisäsi eteenpäinvievänopeutta kevyemmän leikkauksen osuuksilla.

• Pintakäsittely: Pinnankarheus (Ra) ei osoittanut tilastollisesti merkittävää eroa FP-strategian (keskiarvo: 0,38 µm) ja AFC-strategian (keskiarvo: 0,36 µm) välillä (p > 0,05, Studentin t-testi), täyttäen mukavasti vaaditun Ra ≤ 0,4 µm.

• Voiman hallinta: AFC-lokin analyysi vahvisti, että järjestelmä rajoitti syötön nopeutta millisekunnin kuluessa voiman ylittäessä 115 %:n kynnyksen. Näitä voiman piikkejä, jotka usein korreloivat värähtelyn amplitudin lievän kasvun kanssa, havaittiin usein mutkissa ja ne ajoittuivat paikkoihin, joissa murtumat tapahtuivat FP:n (Field Production) aikana. AFC onnistui näiden piikkien lievittämisessä ennen ne saavuttivat murtumisen aiheuttamat tasot.

Kuva 2: Esimerkki syötännön nopeuden mukautumisesta taskun kulmittaessa (AFC)
(Kuvittele aikasarjakuvaaja: X-akseli: Aika (s), Y-akseli: Syötön nopeus (mm/min) ja leikkausvoima (% kohteesta). Näytä ohjelmoitu syötön viiva, todellinen AFC-syötön viiva, joka laskee jyrkästi kulmissa, ja voimakäyrä, joka nousee piikkiin, mutta jonka syötön väheneminen rajoittaa).

3.3 Vertailu aiempaan tutkimukseen
Aiemmat tutkimukset [esim., viitteet 1, 2] osoittivat mukautuvan ohjauksen kyvyn suojella työkaluja eri materiaaleissa ja paransi työkalujen kestoa marginaalisesti . Tämä tutkimus tarjoaa selkeää ja määrällistä näyttöä erityisesti katastrofaalisen murtumisen estosta karkaistun teräksen viimeistelyssä, mikä osoittaa selvästi suurempaa vähennysastetta (65–89 %) kuin työkaluikäparannuksista yleisesti raportoidaan. Toisin kuin laboratoriotutkimuksissa, jotka keskittyvät maksimoimaan poistettavan materiaalin määrää (MRR) [Viite 3], tässä työssä keskeiseksi tavoitteeksi asetettiin murtumisen estäminen todellisessa, arvokkaassa tuotantoympäristössä, saavuttamalla tämä tavoite ainoastaan vähäisellä (8 %) keskimääräisellä syötön vähennyksellä ja ilman pinnanlaadun heikkenemistä.

4 Keskustelu

4.1 Miksi mukautuvat syötöt vähentävät murtumista
Päärakenteena on väljäytyneen työkalun ylikuormituksen estäminen. Kovan teräksen työstö, erityisesti dynaamisissa olosuhteissa, kuten kulmien pyörteilyssä tai pieniin kovuusvaihteluihin tai jäännösjännityksiin kovetuksessa, luo ohimeneviä voimahuippuja. Kiinteät parametrit eivät pysty reagoimaan näihin mikrosekuntitasoisiiin tapahtumiihin. Adaptiivinen järjestelmä toimii nopeana "piirinkatkaisijana", vähentäen kuormaa (etuumäärän vähennyksellä) nopeammin kuin ylikuorma ehtii edetä kovametallityökalun reunojen haurasmurtumiin. Tiedot osoittavat selkeästi voima/värähtelyhuippujen yhteyden murtumiskohtiin FP-tyyppisessä testauksessa ja AFC-järjestelmän kyvyn tukahduttaa nämä huiput.

4.2 Rajoitukset
Tämä tutkimus keskittyi erityisesti katumurtumien vähentämiseen yhden kovan teräslajin (AISI 4340 @ 50 HRC) loppuviilaustasolla tietyn työkalutyypin ja geometrian avulla. Tehokkuus voi vaihdella seuraavien tekijöiden mukaan:

• Materiaali: Eri seokset tai kovuustasot.

• Toiminta: Esitys- ja viimeistelyvaiheiden erot, erilaiset työskentelyolosuhteet.

• Työkalut: Työkalun materiaali (esim. CBN, keraamiikka), geometria, pinnoite, pituuden/halkaisijan suhde (ylikierto).

• Kone ja ohjaus: Työstökoneen jäykkyys, mukautuvan ohjauksen viive.

AFC:n alaisuudessa tapahtuva keskimääräinen 8 %:n syötön väheneminen tarkoittaa pientä kompromissia. Vaikka työkalun murtumiset vähenivät merkittävästi, kierrosaika per osa kasvoi hieman (~4–5 % arvioitu). yLEISÖ tuottavuushyöty johtuu työkalunvaihdosta ja hylättyjen osien poistumisesta.

4.3 Käytännön vaikutukset valmistajille
Liiallisen työkalunmurtumisen kanssa kamppailville työpajoille:

1. Arvioi murtumisen kustannukset: Ota huomioon työkalun hinta, hylkäys/uusintakustannukset, tuotantokatkokustannukset ja menetetty kapasiteetti.

2. Testaa mukautuvaa ohjausta: Kohdennettu korkean haurauden toiminta. Teknologia on kypsä ja suoraan saatavilla konepajoilta tai kolmannen osapuolen toimittajilta.

3. Keskity kynnysarvon asettamiseen: Voiman/tehon kynnysarvon oikea asettaminen on ratkaisevan tärkeää. Jos arvo on liian korkea, suojaukset eivät toimi tehokkaasti; jos taas liian matala, tuotanto kärsii tarpeettomasti. Alkuperäiset kokeilut on suositeltavaa tehdä valvonnassa.

4. Ota huomioon ROI: Vaikka järjestelmästä on kustannuksia, nopea takaisinmaksuaika saavutetaan romukappaleiden ja seisokkien merkittävästi vähenevän määrän ansiosta sekä mahdollisuudesta turvallisesti lisätä perusruokinnan nopeutta kasvava perusruokinta turvallisesti.

5 Johtopäätös

Tämä tuotantopohjainen tutkimus osoittaa yksiselitteisesti, että adaptiivinen syötön säätöteknologia on erittäin tehokas estämään katumuuttoman työkalun murtumista CNC-jyrsinnässä kovettua AISI 4340 terästä. Adaptiivisen ohjauksen käyttöönotolla saavutettiin 89 %:n vähennys murtumisessa (30 %:sta 3,3 %:iin) verrattuna kiinteiden parametrien koneistukseen, ja tämä saavutettiin ainoastaan 8 %:n vähennyksellä keskimääräisessä syöttönopeudessa eikä pinnanlaatuun ole kateus. Keskeinen mekanismi on työkalun ylikuormituksen reaaliaikainen estäminen transienttien koneistusolosuhteiden aiheuttamasta ylikuormituksesta.

Adaptiivinen syötön säätö tarjoaa vahvan ja käytännöllisen ratkaisun valmistajille, jotka pyrkivät parantamaan prosessin luotettavuutta, vähentämään hylkäys- ja seisokkikustannuksia sekä parantamaan kokonaiskoneistuottavuutta (OEE) haastavissa teräksen kovennustuotannossa. Tulevan tutkimuksen tulisi tutkia kynnysstrategioiden optimointia yhdistämällä murtumisen estäminen ja kierrosajan minimoiminen laajemmalle kovettujen materiaalien ja prosessien valikoimalle.