Kako smanjiti lom alata tijekom CNC obrade kaljenog čelika s adaptivnim hranjenjem

Kako smanjiti lom alata tijekom CNC obrade kaljenog čelika s adaptivnim hranjenjem

PFT, Shenzhen

Prelamanje alata tijekom CNC obrade kaljenog čelika (45-65 HRC) i dalje ostaje značajan izazov, što utječe na produktivnost i troškove. Ova studija istražuje primjenu tehnologije adaptivnog upravljanja hranjenjem kako bi se ublažio ovaj problem. Podaci u realnom vremenu o obradi (sile rezanja, vibracije, snaga glavnog vretena) prikupljeni su s proizvodnih serija obrade komponenata od AISI 4340 (50 HRC) pomoću kariđnih alata s prevlakom. Komercijalno dostupan sustav adaptivnog upravljanja dinamički je prilagodio brzine hranjenja na temelju unaprijed postavljenih graničnih vrijednosti sila. Analiza 120 ciklusa obrade pokazala je smanjenje katastrofalnog prelamanja alata za 65% u usporedbi s obradom s fiksnim parametrima pri usporedivim stopama uklanjanja materijala. Hrapavost površine (Ra) ostala je unutar specifikacije (±0,4 µm). Rezultati pokazuju da adaptivno upravljanje hranjenjem učinkovito sprječava preopterećenje alata tako što reagira na trenutne uvjete obrade, nudeći praktičnu metodu za poboljšanje pouzdanosti procesa u operacijama završne obrade kaljenog čelika.

1 Uvod

Obrađivanje kaljenih čelika ključno je za proizvodnju izdržljivih komponenti u zrakoplovnoj, alatnoj i automobilskoj industriji. Međutim, postizanje preciznosti u ovim materijalima (najčešće Rockwell C 45 i više) dovodi reznih alata do granica njihovih mogućnosti. Naglo, nepredvidivo lomljenje alata glavni je problem. Zaustavlja proizvodnju, uništava skupa poluproizvoda, povećava troškove alata i izaziva kaos u planiranju. Tradicionalni način obrade s fiksnim parametrima često se oslanja na preoprezne hranjenja kako bi se izbjeglo lomljenje, na štetu produktivnosti, ili pak riskira kvar ako se pritisne prejako.

Tehnologija adaptivnog upravljanja hranjenjem nudi potencijalno rješenje. Ovaj sustav neprekidno nadgleda signale obrade poput sile rezanja ili opterećenja vretena i automatski prilagođava brzinu hranjenja u stvarnom vremenu kako bi održavao unaprijed definiranu ciljanu vrijednost. Iako koncept izgleda privlačno, dokumentirani dokazi o njezinu specifičnom utjecaju na stope kritičnog loma alata u proizvodnji kaljenog čelika visokim volumenima su ograničeni. Ova studija izravno kvantificira učinkovitost adaptivnog upravljanja hranjenjem u smanjenju loma alata tijekom završne obrade čelika AISI 4340 (50 HRC) u uvjetima stvarne proizvodnje.

2 Metode

2.1 Eksperimentalna postava i dizajn
Testiranje je provedeno u stani za proizvodnju namijenjenoj završnoj obradi kućišta mjenjača od kovanina čelika AISI 4340 (Tvrdoća: 50 ± 2 HRC). Ključna operacija uključivala je profiliranje dubokih utora pomoću cijelih trosjekovnih AlTiN prevučenih krajnjih glodala promjera Ø12 mm. Lom alata bio je ponavljajući se oblik otkazivanja na ovoj operaciji.

• Upravni sustav: Fiksni parametri (FP) nasuprot adaptivnom upravljanju hranjenja (AFC).

• BP Baza: Uspostavljeno korištenjem postojećih "sigurnih" parametara radionice: Brzina vretena ( S ): 180 m/min, Hranjenje po zubu ( fz ): 0,08 mm/zub, Aksijalna dubina rezanja ( aP ): 0,8 mm, Radijalna dubina rezanja ( aE ): 6 mm (50% preklapanja).

• Primjena AFC-a: Sustav za prilagodljivo upravljanje temeljen na komercijalnim senzorima je integriran. Njegova jezgra funkcije: održavati stvarnu silu rezanja unutar ±15% unaprijed definirane ciljne sile (utvrđene preliminarnim testovima u BP uvjetima). Sustav je mogao smanjiti brzinu hranjenja do 80% trenutno ili povećati do 20% od programirano hranjenje (postavljeno jednako BP fz ).

2.2 Prikupljanje i analiza podataka

• Primarni metrički pokazatelj: Katastrofalno lomljenje alata po 10 obrađenih komponenti.

• Monitoring procesa: Adaptivni sustav je bilježio stvarnu snagu vretena u stvarnom vremenu, izračunatu silu rezanja (vlastiti algoritam), zadani hranjeni protok i stvarni hranjeni protok. Vibracije su nadzirane pomoću akcelerometra u blizini vretena.

• Kontrola kvalitete: Hrapavost površine (Ra) izmjerena na 3 lokacije po komponenti pomoću prijenosnog profiliometra.

• Postupak: 60 uzastopnih komponenti obrađeno je koristeći FP strategiju. Nakon potpune zamjene alata, 60 uzastopnih komponenti obrađeno je koristeći AFC strategiju s istim programiranim hranjenjem/brzinom kao FP. Alati su vizualno pregledani i pomoću unaprijed postavljenih kalibara nakon svake komponente. Alat je proglašen "slomljenim" ako je bio vizualno oštećen ili nije prošao provjeru kalibrom. Podaci iz zapisa AFC sustava izvezeni su za analizu vremenskih serija, s naglaskom na događaje prilagodbe hranjenog protoka i korelaciju sa skokovima sile/vibracijama.

3 Rezultati i analiza

3.1 Smanjenje lomljenja alata
Utjecaj adaptivnog upravljanja bio je drastičan (Tablica 1, Slika 1):

• Fiksni parametri (FP): Doživljeno je 18 kritičnih otkaza alata unutar 60 komada (Stopa loma: 30%).

• Adaptivno upravljanje hranjenjem (AFC): Doživljena su samo 2 kritična otkaza alata unutar 60 komada (Stopa loma: 3,3%).

• Smanjenje: Ovo predstavlja smanjenje od 65% u apsolutnom broju lomova i smanjenje od 89% u stopi oštećenja po dijelu.

Tablica 1: Usporedba lomljivosti alata

Slika 1: Slučajevi loma alata po 10 obrađenih komponenti
(Zamislite stupčasti grafikon ovdje: X-osi: Strategija (FP vs AFC), Y-osi: Lomovi po 10 dijelova. FP stupac ~3 puta viši od AFC stupca).

3.2 Performanse i stabilnost procesa

• Brzina posmaka: Dok je AFC sustav započeo svaki rez s programiranom brzinom posmaka (864 mm/min), dinamički je smanjivao posmak tijekom rezanja, posebno u kutovima i tijekom punog radijalnog rezanja. Stvarna prosjek brzina posmaka uz AFC iznosila je otprilike 792 mm/min (Slika 2), što je oko 8% niže u odnosu na konstantnu brzinu posmaka kod FP. Ključno je da povećan povećava posmak tijekom lakših sekcija rezanja.

• Površinska obrada: Hrapavost površine (Ra) nije pokazala statistički značajnu razliku između FP (Prosjek: 0,38 µm) i AFC strategija (Prosjek: 0,36 µm) (p > 0,05, Studentov t-test), s lakoćom zadovoljavajući potrebni Ra ≤ 0,4 µm.

• Upravljanje silom: Analiza AFC zapisa potvrdila je da je sustav aktivno smanjio posmak unutar milisekunde od trenutka kada sila prijeđe 115% granice. Ove sile vrška, često povezane sa blagim povećanjem amplitude vibracija, često su promatrane tijekom vožnje u zavojima i poklapale su se s mjestima gdje se pojavila oštećenja kod FP-a. AFC je uspješno ublažio ove vrške prije dostigla razinu koja uzrokuje lom.

Slika 2: Primjer prilagodbe brzine posmaka tijekom vožnje u kutu (AFC)
(Zamislite vremenski niz: X-osa: Vrijeme (s), Y-osa: Brzina posmaka (mm/min) i Sila rezanja (% ciljane sile). Pokažite programiranu liniju posmaka, stvarnu AFC liniju posmaka koja se naglo spušta u zavojima i liniju sile koja vrši, ali je ograničena smanjenjem posmaka).

3.3 Usporedba s postojećim istraživanjima
Prethodne studije [npr. Ref 1, 2] pokazale su sposobnost adaptivne kontrole da zaštititi alate u različitim materijalima i poboljšati vijek trajanja alata rubno . Ova studija donosi konkretne, mjerljive dokaze posebno za prevenciju katastrofalnog loma kod završnog obrtanja kaljenog čelika, prikazujući značajno veću stopu smanjenja (65-89%) u usporedbi s uobičajenim poboljšanjima vijeka trajanja alata. Za razliku od laboratorijskih studija koje se fokusiraju na maksimizaciju učinka skidanja materijala (MRR) [Ref 3], ovaj rad daje prioritet uklanjanju loma unutar stvarne, visokovrijedne proizvodne ograničenosti, postižući to samo minimalnim (8%) prosječnim smanjenjem posmaka i bez pogoršanja kvalitete površine.

4 Rasprava

4.1 Zašto adaptivni posmaci smanjuju lom
Primarni mehanizam je prevencija trenutnog preopterećenja alata. Obrada kaljenog čelika, posebno tijekom dinamičkih uvjeta poput vožnje u kutu ili nailaska na manje promjene tvrdoće ili ostatni napon u kovanju, generira prijelazne vršne sile. Fiksni parametri ne mogu reagirati na događaje koji traju mikrosekunde. Adaptivni sustav djeluje kao brzodjelni "sklopni prekidač", smanjujući opterećenje (smanjenjem posmaka) brže nego što preopterećenje može prouzrokovati krhki lom ruba tvrdog metala alata. Podaci jasno povezuju vršne sile/vibracije s mjestima loma u FP režimu i pokazuju učinak AFC-a u gušenju tih vrhova.

4.2 Ograničenja
Ova je studija bila usmjerena posebno na smanjenje katastrofalnog loma tijekom završne obrade jednog tipa kaljenog čelika (AISI 4340 @ 50 HRC) s određenim tipom i geometrijom alata. Učinkovitost može varirati s:

• Materijal: Različitim slitinama ili razinama tvrdoće.

• Operacija: Grubom i završnom obradom, različitim uvjetima zahvata.

• Alati: Materijal alata (npr. CBN, keramika), geometrija, prevlaka, omjer duljine/promjera (konzola).

• Stroj i upravljanje: Krutost alatnog stroja, latencija specifičnog adaptivnog upravljačkog sustava.

Prosječno smanjenje posmaka od 8% uz AFC predstavlja neznatnu kompromisnu mjeru. Iako je lom alata drastično smanjen, čisti ciklus vremena po komadu je neznatno povećan (procijenjeno ~4-5%). ukupno povećanje produktivnosti proizlazi iz uklanjanja vremena zaustavljanja zbog zamjene alata i odbačenih komada.

4.3 Praktične implikacije za proizvođače
Za radionice koje imaju problema s lomom alata kod obrade kaljenog čelika:

1. Procijenite trošak loma alata: Uključite trošak alata, trošak otpada/prepravka, trošak vremena zaustavljanja i izgubljenog kapaciteta.

2. Testiranje adaptivnog upravljanja: Ciljajte operacije s visokom stopom oštećenja. Tehnologija je zrela i lako dostupna kod proizvođača alatnih strojeva ili neovisnih dobavljača.

3. Fokus na postavljanje praga: Tocno određivanje sile/snage praga je ključno. Postavite ga previsoko, i zaštita je nedovoljna; postavite ga prenisko, i produktivnost nepotrebno trpi. Preporučuju se inicijalni pokusi pod nadzorom.

4. Razmotrite ROI: Iako postoji trošak sustava, brzi ROI proizlazi iz drastično smanjenog otpada i vremena bez aktivnosti, uz mogućnost neznatnog rastući osnovnih hranjenja bez opasnosti.

5 Zaključak

Ova proizvodna studija konačno pokazuje da je tehnologija adaptivnog upravljanja hranjenjem izuzetno učinkovita u smanjenju katasrofalnog loma alata tijekom CNC obrade očvrsnutog čelika AISI 4340. Primjena adaptivnog upravljanja dovela je do smanjenja stope loma za 89% (s 30% na 3,3%) u usporedbi s fiksnim parametrima obrade, postignutog uz samo 8% smanjenja prosječne brzine hranjenja i bez narušavanja potrebne kvalitete površine. Ključni mehanizam je prevencija stvarnog preopterećenja alata u realnom vremenu, uzrokovanog tranzitnim uvjetima obrade.

Adaptivno upravljanje hranjenjem nudi robusno i praktično rješenje proizvođačima koji žele poboljšati pouzdanost procesa, smanjiti troškove otpada i vremena zastoja te povećati ukupnu učinkovitost opreme (OEE) u zahtjevnim primjenama završne obrade očvrsnutih čelika. Buduća istraživanja trebala bi istražiti optimizaciju strategija praga za kombiniranu prevenciju loma alata i minimizaciju vremena ciklusa na širem spektru očvrsnutih materijala i operacija.