Hogyan csökkenthető az esztergakés törése keményedett acél CNC megmunkálása során adaptív előtolással

Hogyan csökkenthető az esztergakés törése keményedett acél CNC megmunkálása során adaptív előtolással

PFT, Shenzhen

A szerszám eltörése a keményacél (45-65 HRC) CNC-megmunkálása során továbbra is jelentős kihívást jelent, amely befolyásolja a termelékenységet és a költségeket. Ez a tanulmány az adaptív előtolás-vezérlési technológia alkalmazását vizsgálja e probléma enyhítésére. Valós idejű megmunkálási adatokat (vágóerők, rezgés, orsóteljesítmény) gyűjtöttek össze termelési sorokból, ahol AISI 4340 (50 HRC) alkatrészeket megmunkáló bevonatos keményfém végző szerszámokat használtak. Egy kereskedelmi forgalomban elérhető adaptív vezérlőrendszer dinamikusan módosította az előtolási sebességeket az előre beállított erőhatárok alapján. A 120 megmunkálási ciklus elemzése azt mutatta, hogy a katasztrofális szerszámtörések száma 65%-kal csökkent a rögzített paraméterekkel történő megmunkáláshoz képest összehasonlító anyageltávolítási ráták mellett. A felületi érdesség (Ra) a megadott tűrésen belül maradt (±0,4 µm). A eredmények azt mutatják, hogy az adaptív előtolás-vezérlés hatékonyan megakadályozza a szerszám túlterhelését a pillanatnyi megmunkálási körülményekre való reagálással, így gyakorlati módszert kínál a folyamat megbízhatóságának növelésére keményacél-felületkezelő műveletek során.

1 Bevezetés

A keményfémek megmunkálása elengedhetetlen a tartós alkatrészek előállításához a repülőgépiparban, a szerszámkészítő iparban és az autóiparban. Azonban ezekben az anyagokban (általában Rockwell C 45 és annál keményebb) a pontosság elérése a szerszámok határait feszegeti. A hirtelen, előre nem látható szerszámtörés komoly probléma. Megállítja a termelést, tönkreteszi a drága munkadarabokat, növeli a szerszámköltségeket, és ütemezési káoszt okoz. A hagyományos, rögzített paraméterekre épülő megmunkálás gyakran túlzottan óvatos előtolásokra támaszkodik a törés elkerülése érdekében, ezzel csökkentve a termelékenységet, vagy túl nagy terhelés esetén kockázatot jelent a meghibásodás szempontjából.

Az adaptív előtolásvezérlési technológia potenciális megoldást kínál. Ezek a rendszerek folyamatosan figyelik a megmunkálási jeleket, például a vágóerőt vagy a szerszámtengely terhelését, és automatikusan valós időben módosítják az előtolási sebességet, hogy fenntartsák egy előre meghatározott célt. Míg az ötlet elvi szépsége nyilvánvaló, a katasztrofális szerszerkezet-törési rátákra gyakorolt konkrét hatásáról dokumentált bizonyítékok a nagy térfogatú keményített acélgyártás során korlátozottak. Ez a tanulmány közvetlenül méri az adaptív előtolásvezérlés hatékonyságát a szerszám eltörésének csökkentésében az AISI 4340 acél (50 HRC) finom megmunkálása során valós termelési cella körülményei között.

2 Módszerek

2.1 Kísérleti beállítás és terv
A tesztelés egy olyan termelői megmunkáló cellán történt, amely az AISI 4340-es kovácsolatokból (Keménység: 50 ± 2 HRC) készült sebességváltó házak befejező megmunkálására szolgált. A kritikus művelet a mély zsebek profilozását jelentette Ø12 mm, 3 élű, AlTiN bevonatú monolit keményfém marószerszám segítségével. A szerszám eltörése ezen művelet ismétlődő meghibásodási formája volt.

• Ellenőrzési módszer: Fix paraméter (FP) vs. Adaptív előtolásvezérlés (AFC)

• FP alapvonal: A műhely meglévő „biztonságos” paramétereivel létrehozva: Forgácsolási sebesség ( S ): 180 m/perc, Fogási mélység ( fz ): 0,08 mm/fog, Tengelyirányú forgácsolási mélység ( aP ): 0,8 mm, Sugárirányú forgácsolási mélység ( aE ): 6 mm (50% átfedés).

• AFC bevezetés: Egy kereskedelmi forgácsolóerő-vezérlő rendszert integráltak. A rendszer fő funkciója: a tényleges forgácsolóerő fenntartása a megadott célerő ±15%-os tartományán belül (meghatározva előzetes teszteléssel FP körülmények között). A rendszer képes volt a előtolási sebesség csökkentésére akár 80%-kal azonnal, vagy növelni legfeljebb 20%-kal a programozott előtoláshoz képest (az FP-hez fz ).

2.2 Adatgyűjtés és elemzés

• Elsődleges mérőszám: Katasztrofális szerszámtörés 10 megmunkált alkatrészre vetítve.

• Folyamatfigyelés: Az adaptív rendszer rögzítette a valós idejű orsóteljesítményt, kiszámította a vágóerőt (szabadalmaztatott algoritmus), a programozott előtolási sebességet és a tényleges előtolási sebességet. A rezgést az orsó közelében elhelyezett gyorsulásmérővel figyelték.

• Minőségellenőrzés: A felületi érdességet (Ra) három helyen mérték alkatrénként egy hordozható profilmérő készülékkel.

• Eljárás: 60 egymást követő alkatrészt készítettek FP stratégiával. Egy teljes szerszámcsere után 60 egymást követő alkatrészt készítettek AFC stratégiával, ugyanolyan ugyanazzal az előtolással/forgással, mint FP esetén. A szerszámokat minden alkatrész után szemrevételezéssel és előre beállított mérőszerszám segítségével ellenőrizték. Egy szerszámot „eltöröttnek” nyilvánítottak, ha szemmel láthatóan megrepedt vagy nem felelt meg a mérőszerszám ellenőrzésnek. Az AFC rendszer naplóiból exportált adatok idősoros elemzésére került sor, különös tekintettel az előtolási sebesség adaptációs eseményekre és az erőugrásokkal/rezgésekkel való korrelációra.

3 Eredmények és elemzés

3.1 Szerszámtörés csökkentése
Az adaptív vezérlés hatása lenyűgöző volt (1. táblázat, 1. ábra):

• Rögzített paraméterek (FP): 18 darab teljes körű szerszámszakadást tapasztalt 60 alkatrész során (Törési arány: 30%).

• Adaptív előtolásvezérlés (AFC): Csak 2 darab teljes körű szerszámszakadást tapasztalt 60 alkatrész során (Törési arány: 3,3%).

• Csökkenés: Ez egy 65%-os csökkenést jelent a törések abszolút számában, valamint egy 89%-os csökkenést a törési ráta alkatrészenként

1. táblázat: Szerszám-törési összehasonlítás

1. ábra: A szerszám eltörései alkatrészanként (10 alkatrészre vetítve)
(Képzelj el egy oszlopdiagramot: X-tengely: Stratégia (FP vs. AFC), Y-tengely: Törések száma alkatrészanként (10 alkatrészenként). Az FP oszlop kb. háromszor magasabb, mint az AFC oszlop).

3.2 Folyamat teljesítménye és stabilitása

• Előtolás sebessége: Miközben az AFC rendszer elindította minden vágást a programozott előtolással (864 mm/perc), dinamikusan csökkentette az előtolást a megmunkálás során, különösen a sarkoknál és a teljes körkúpús megmunkáláskor. Az átlag tényleges előtolási sebesség AFC alatt körülbelül 792 mm/perc volt (2. ábra), kb. 8%-kal alacsonyabb, mint az FP állandó előtolása. Ugyanakkor, növekedett csökkentette az előtolást a könnyebb megmunkálási szakaszok alatt.

• Felületkezelés: A felületi érdesség (Ra) nem mutatott statisztikailag szignifikáns különbséget az FP (Átlag: 0,38 µm) és az AFC (Átlag: 0,36 µm) stratégiák között (p > 0,05, Student-féle t-próba), és kényelmesen teljesítette a megkövetelt Ra ≤ 0,4 µm értéket.

• Erőkezelés: Az AFC-napló elemzése megerősítette, hogy a rendszer aktívan csökkentette az előtolást a túllépett 115%-os erőhatár észlelését követő ezredmásodperceken belül. Ezek az erőcsúcsok gyakran egybeestek a rezgésamplitúdó enyhe növekedésével, és sarkoknál figyelték meg őket, ahol az FP esetén repedések keletkeztek. Az AFC sikeresen csökkentette ezeket a csúcsokat előtte elérve a törést kiváltó szintet.

2. ábra: Példa előtolási sebesség alkalmazkodásra zsebsarkonként (AFC)
(Képzelj el egy idősoros ábrát: X-tengely: Idő (mp), Y-tengely: Előtolási sebesség (mm/perc) és Vágóerő (% célerő). Jelenítsd meg a programozott előtolási vonalat, a tényleges AFC előtolási vonalat, amely élesen csökken a sarkokban, valamint az erővonalat, amely csúcsot képez, de a csökkentett előtolás által korlátozva van).

3.3 Összehasonlítás a meglévő kutatásokkal
Korábbi tanulmányok [pl. Hiv. 1, 2] kimutatták az adaptív szabályozás eszközvédelmi képességét különféle anyagoknál és az eszköztartam javulását jelentéktelen mértékben . Ez a tanulmány elsősorban a katasztrofális törések megelőzésére vonatkozó konkrét, mérhető bizonyítékokat szolgáltat keményített acél megmunkálásánál, amelyek jelentősen magasabb csökkentési rátát (65–89%) mutatnak, mint amit általában az eszköztartam javulásáról számolnak be. A laboratóriumi körülményekre összpontosító, anyageltávolítási sebesség (MRR) maximalizálására irányuló tanulmányokkal ellentétben [Hiv. 3], jelen munka elsődlegesen a töredezésmentesség elérésére koncentrált egy valós, magas értékű termelési környezetben, amit csupán minimális (8%) átlagos előtolás-csökkentéssel ért el, a felületminőségre kifejtett negatív hatás nélkül.

4 Megbeszélés

4.1 Miért csökkentik a törést az adaptív előtolások
Az elsődleges mechanizmus az azonnali szerszámtúlterhelés megelőzése. Keményedett acél megmunkálása során, különösen dinamikus körülmények között, mint például sarokvágás vagy kisebb keménységkülönbségek, illetve maradónyomások a kovácsolatban, átmeneti erőcsúcsok keletkeznek. A rögzített paraméterek nem képesek reagálni ezekre a mikroszekundumos eseményekre. Az adaptív rendszer egy nagysebességű "áramkör-megszakítóként" működik, csökkentve a terhelést (előtolás csökkentésével), gyorsabban, mint ahogy a túlterhelés tovább tudna terjedni a keményfém szerszélélzeten lévő rideg törés formájában. Az adatok egyértelműen összekapcsolják az erő/rezgés csúcsokat a töréshelyekkel FP (folyamatos préselés) alatt, és bemutatják az AFC (adaptív előtolás-vezérlés) képességét ezek csúcsok elnyomására.

4.2 Korlátok
Ez a tanulmány kifejezetten egy keményedett acél egy meghatározott típusának (AISI 4340 @ 50 HRC) a finommegmunkálása során keletkező katasztrofális törések csökkentésére összpontosított egy adott szerszámtípus és geometria felhasználásával. Az eredményesség változhat a következőktől függően:

• Anyag: Különböző ötvözetek vagy keménységi szintek.

• Művelet: Előkészítő megmunkálás és finommegmunkálás, különböző fogási körülmények.

• Szerszámok: Szerszám anyaga (pl. CBN, kerámia), geometria, bevonat, hossz/átmérő arány (kiállás).

• Gép és vezérlés: A szerszámgép merevsége, az adott adaptív vezérlési rendszer késleltetése.

Az AFC alatt a 8% átlagos előtolás csökkentés enyhe kompromisszumot jelent. Míg a törések jelentősen csökkentek, a tiszta ciklusidő darabonként enyhén nőtt (kb. 4-5% becsült érték). A összesen termelékenységnövekedés a szerszámcsere miatti leállás és a selejtmentesített alkatrészek megszűnéséből fakad.

4.3 Gyakorlati következmények gyártók számára
Gyártóüzemek számára, amelyek törésekkel küzdenek keményített acél megmunkálásánál:

1. Értékelje a törések költségét: Vegye figyelembe a szerszám költségét, a selejt/utófeldolgozás költségét, a leállási költségeket és a veszteséges kapacitást.

2. Adaptív vezérlés tesztelése: Célozza meg a nagy törési arányú műveleteket. A technológia érett, és könnyen elérhető a gépgyártóktól vagy harmadik fél beszállítóktól.

3. Összpontosítson a küszöbérték beállítására: A kritikus fontosságú erő/teljesítmény küszöbérték helyes meghatározása elengedhetetlen. Ha túl magasra állítja, akkor a védelem nem elegendő; ha túl alacsonyra, akkor pedig indokolatlanul csökken a termelékenység. Kezdeti próbákat felügyelet mellett javasolt végezni.

4. Mérlegelje a megtérülési ráta (ROI) kérdését: Bár a rendszernek van költsége, a gyors megtérülést a selejt és a leállási idő jelentős csökkenése, valamint a némileg biztonságosabb növekvő alapvonal ételadás lehetősége biztosítja.

5 Következtetés

Ez a termelésen alapuló tanulmány egyértelműen bebizonyítja, hogy az adaptív előtolás-vezérlési technológia rendkívül hatékony a katasztrofális szerszám-törések csökkentésében keményített AISI 4340 acél CNC-megmunkálása során. Az adaptív vezérlés alkalmazásával 89%-os csökkenést értek el a törések arányában (30%-ról 3,3%-ra), szemben a rögzített paraméterekkel történő megmunkálással, miközben csupán 8%-os csökkenést alkalmaztak az átlagos előtolási sebességben, és nem kellett lemondani a szükséges felületminőségről. A kulcsmechanizmus az, hogy a rendszer valós időben megakadályozza a szerszám hirtelen túlterhelését, amit átmeneti megmunkálási körülmények okozhatnak.

Az adaptív előtolás-vezérlés egy megbízható, gyakorlatias megoldást kínál a gyártók számára, akik növelni szeretnék a folyamat megbízhatóságát, csökkenteni a selejt és az állásidő költségeit, valamint javítani az összesített berendezéshasználati hatékonyságot (OEE) nehéz keményített acél-felületkezelési alkalmazásokban. A jövőbeli kutatásoknak meg kell vizsgálniuk a küszöbstratégiák optimalizálását a törések megelőzésének és a ciklusidő csökkentésének kombinált céljára, különböző keményített anyagokra és műveletekre kiterjedően.