איך להפחית שבירות של כלי עיבוד בעיבוד CNC של פלדת עקירה באמצעות תזונה מתאימה

איך להפחית שבירות של כלי עיבוד בעיבוד CNC של פלדת עקירה באמצעות תזונה מתאימה

PFT, שנזן

שבירת כלים במהלך עיבוד ב-CNC של פלדת מכשנה (45-65 HRC) נותרת אתגר משמעותי, אשר משפיע על תפוקה ועלות. מחקר זה חוקק את יישום טכנולוגיית בקרה אדפטיבית של קצבת הקידוח כדי להפחית את הظاهرة. נאספו נתונים בזמן אמת (כוחות חיתוך, ויברציה, הספק ציר) מעבודות ייצור של רכיבים מ-AISI 4340 (50 HRC) תוך שימוש בקצות חיתוך מזכוכית מוכְסָף. מערכת בקרה אדפטיבית מסחרית שינתה באופן דינמי את קצבת הקידוח על פי סף כוח מוגדר מראש. ניתוח של 120 מחזורי עיבוד הדגים הפחתה של 65% בשבר catastrophic של הכלים בהשוואה לעיבוד בפרמטרים קבועים בתנאי הסרת חומר דומים. חספוס פני השטח (Ra) נשמר בתוך הגבולות המוגדרים (±0.4 µמ'). התוצאות מצביעות על כך שבקרה אדפטיבית של קצבת הקידוח מונעת באופן יעיל את העומס המוגזם על הכלים על ידי תגובה לתנאי העיבוד הרגעיים, ומציעה שיטה מעשית להעצמת האמינות בתהליך סיום עיבוד של פלדות מכשנות.

1 מבוא

עיבוד של פלדות קשות הוא הכרח בייצור רכיבים עמידים בתעשייה האווירית, בתעשיית הכלים ובתעשייה האוטומобильית. עם זאת, השגת דיוק בمواد אלו (בדרך כלל 45 רוקוול C ומעלה) מקרבת את כלי החיתוך לקצה היכולת שלהן. שבירה פתאומית ולא צפוייה של הכלים מהווה בעיה גדולה. היא עוצרת את תהליך הייצור, מקלקלת חלקי עבודה יקרים, מעלה את עלויות הכלים וגורמת לבלגן בלוחות הזמנים. עיבוד עם פרמטרים קבועים באופן מסורתי נוטה להסתמך על תזונה שמרנית מדי כדי למנוע שבירה, תוך קורבן לייצוריות, או לסכן כשלון עקב לחיצה חזקה מדי.

טכנולוגיית בקרת ההזנה האדפטיבית מציעה פתרון פוטנציאלי. מערכות אלו מודדות באופן רציף אותות עיבוד, כגון כוח גזירה או עומס על ציר הסיבוב, ומסווגות אוטומטית את קצב ההזנה בזمن אמת כדי לשמור על יעד מוגדר מראש. למרות הרעיון המושך, יש מעט ראיות מועדות על ההשפעה המדויקת שלה על שיעורי שבירה חמורה של כלים בייצור סדרתי של פליזים קשים. מחקר זה מודד באופן ישיר את היעילות של בקרת ההזנה האדפטיבית בהפחתת שבירות הכלים במהלך סיום עיבוד פליז AISI 4340 (50 HRC) בתנאי תאי ייצור אמיתיים.

2 שיטות

2.1 תכנון וاعدת הניסויים
הבדיקות התבצעו בתא עיבוד ייצור המוקדש לסיום גוף תיבת הילוכים מחלדים (קושי: 50 ± 2 HRC) של AISI 4340. הפעולה הקריטית כללה עיצוב כיסים עמוקים תוך שימוש בקצות עיבוד מקרبيد מוצק ממדבקים Ø12 מ"מ, בעלי שלושה שיניים ומכוסים ב-AlTiN. שבירה של כלי עבודה הייתה מodeה כשלון חוזרת בפעולה זו.

• שיטה של שליטה: פרמטר קבוע (FP) לעומת בקרת הזנה אדפטיבית (AFC).

• FP בסיס: הוקם באמצעות הפרמטרים ה"בטוחים" הקיימים במחסן: מהירות ציר ( ש ): 180 מטר/דקה, קצב תזונה למחרשה ( fZ ): 0.08 מ"מ/שיניים, עומק חתך צירי ( aP ): 0.8 מ"מ, עומק חתך רדיאלי ( aE ): 6 מ"מ (50% צעד).

• יישום AFC: הותקן מערכת בקרת התאמה מסחרית מבוססת חיישנים. פונקציית הליבה שלה: שמירה על כוח החתיכה בפועל בתוך ±15% מכוח יעד מוגדר מראש (נקבע באמצעות בדיקות מוקדמות בתנאי FP). המערכת יכולה להפחית את קצב ההזנה ב-80% מיידית או להגדיל עד 20% מה התכנית הזנה (נקבעה שווה ל-FP fZ ).

2.2 איסוף וניתוח נתונים

• מדד עיקרי: שבירת כלים קיצונית ל-10 רכיבים מעובדים.

• מעקב בתהליך הייצור: המערכת האדפטיבית רשמה בזמנית את הספינדל החשמלי, חישבה את כוח החריצה (אלגוריתם ייחודי), קצב ההזנה שהוזן, וקצב ההזנה בפועל. התנודות נמדדו באמצעות חישה אקסלرومטרית סמוך לספינדל.

• בקרת איכות: עובי שטח (Ra) נמדד בשלושה אתרים בכל רכיב באמצעות פרופילומטר נייד.

• תהליך: 60 רכיבים עוקבים עיבדו באמצעות אסטרטגיית FP. לאחר החלפת כלים מלאה, עיבדו 60 רכיבים עוקבים באמצעות אסטרטגיית AFC עם קצב הזנה/מהירות מתוכנת כמו FP. הכלים נבדקו באופן ויזואלי ובאמצעות מדידות קדומות לאחר כל רכיב. כלי הוגדר כ"שבור" אם הוא נשבר באופן ויזואלי או כשכשל בבדיקה של הגימור. נתונים מרשומות מערכת AFC יוצאו לניתוח סדרת הזמן, תוך דגש על אירועים של התאמת קצב ההזנה והקשר לפליטות כוח/תנודות. אותו הדבר programmed feed/speed as FP. Tools were inspected visually and via preset gauges after each component. A tool was deemed "broken" if visually fractured or failing the gauge check. Data from the AFC system logs was exported for time-series analysis, focusing on feed rate adaptation events and correlation with force spikes/vibration.

3 תוצאות וניתוח

3.1 הפחתת שבירת הכלים
ההשפעה של הבקרה האדפטיבית הייתה דרמטית (טבלה 1, תרשים 1):

• פרמטרים קבועים (FP): חווה 18 כשלים קатаסטרופליים של כלי עבודה בתוך 60 חלקים (שיעור השבירה: 30%).

• בקרה אדפטיבית של קצב ההזנה (AFC): חווה רק 2 כשלים קатаסטרופליים של כלי עבודה בתוך 60 חלקים (שיעור השבירה: 3.3%).

• הפחתה: הדבר מייצג הפחתה של 65% במספר המוחלט של שבירות והפחתה של 89% בשיעור השבירה לחלק.

טבלה 1: השוואת שבירת כלים

איור 1: אירועים של שבת כלים לכל 10 רכיבים מועבדים
(דמיינו תרשים עמודות כאן: ציר X: אסטרטגיה (FP מול AFC), ציר Y: שבירות ל-10 חלקים. עמודת FP גבוהה פי ~3 מזו של AFC).

3.2 תפקוד ויציבות תהליך

• קצב תזונה: בעוד שמערכת ה- AFC התחל כל חתך בקצב תזונה מתוכנת (864 מ"מ לדקה), היא הפחיתה דינמית את קצב התזונה במהלך ההטמעה, במיוחד בפינות ובמהלך הטמעה מלאה רדיאלית. קצב התזונה בפועל תחת ה- AFC היה בערך 792 מ"מ לדקה (איור 2), נמוך ב-8% מהתזונה הקבועה של FP. חשוב, זה ממוצע קצב תזונה בחלקים הקלים יותר של החתכה. גדל feed during lighter cutting sections.

• גימור שטח: עובי פנים (Ra) לא הראה הבדל מובהק סטטיסטית בין FP (ממוצע: 0.38 מיקרון) ואסטרטגיות AFC (ממוצע: 0.36 מיקרון) (p > 0.05, מבחן t של סטודנט), תוך עמידה נוחה בדרישה Ra ≤ 0.4 מיקרון.

• ניהול כוח: ניתוח יומן AFC אישר שהמערכת הקפיאה את קצבת הקידוח בתוך מספר מילישניות לאחר שהכוח עלה על סף ה-115%. גלי כוח אלה, אשר לרוב קשורים לעלייה קלה במשרעת הרטט, נצפו לעיתים קרובות במהלך סיבוב ותאמה למיקומים שבהם התרחשה שבירה תחת FP. AFC הצליחה להפחית את גלי כוח אלה לפני הם הגיעו לרמות שגרמו לשבירה.

איור 2: דוגמה להתאמת קצבת הקידוח במהלך סיבוב (AFC)
(דמיינו תרשים טורי זמן: ציר X: זמן (שניות), ציר Y: קצבת קידוח (מ"מ לדקה) וכוח חיתוך (% מהיעד). הציגו קווית קצבת קידוח מתוכנתת, קו AFC של קצבת קידוח בפועל יורד חדה בפינות, וקו הכוח עולה בפתע אך מוגבל על ידי הקטנת קצבת הקידוח).

3.3 השוואה למחקרים קיימים
מחקרים קודמים [למשל, מראיין 1, 2] הדגימו את היכולת של שליטה אדפטיבית להגן על כלים במגוון חומרים ולשפר את חיי הכלים בצורה שולית . המחקר הזה מציג ראיות מוחשיות ומכמותיות במיוחד עבור מניעת שבירה קטסטרופלית בגימורי פליז קשה, ומציג קצב ירידה גבוה בהרבה (65-89%) מאשר שיפורים טיפוסיים של חיי כלים שדווחו. להבדיל ממחקרים המבוססים על מעבדה שמקדמים את קצב הסרת החומר (MRR) [מראיין 3], עבודה זו ממקדת את המיקוד ב הסרת השבירה בתוך אילוץ ייצור יקר ומערך, ומביאה להצלחה עם ירידה זניחה בלבד (8%) בממוצע של קצב ההזנה ואין פגיעה באיכות הגימור

4 דיון

4.1 למה הזנות אדפטיביות מפחיתות שבירות
המנגנון העיקרי הוא העדפת עומס רגעי על החרט. עיבוד של פליז מותקן, במיוחד בתנאים דינמיים כמו סיבוב בפינה או נתקדות בשינויי קשיות זעירים או מתחים שאריים ביציקה, יוצר פיקות כוח רגמיות. פרמטרים קבועים אינם יכולים להגיב לאירועים אלה בקנה מידה של מיקרו-שניות. המערכת האדפטיבית פועלת כמפסק חשמלי מהיר", מצמצמת את העומס (באמצעות הפחתת האכלה) מהר יותר מאשר יכולת העומס יכולה להתקדם לשבירה שבירה של קצה החרט.

4.2 מגבלות
המחקר הזה התמקד בפחתת ספציפית של הפחתת שבירות קטרוסטלית בעיבוד גימור של דרגת פליז מותקנת אחת (AISI 4340 @ 50 HRC) עם סוג ספציפי של חרט והנדסה ספציפית. האפקטיביות יכולה להשתנות בהתאם ל:

• חומר: سبائك שונות או רמות קשיות.

• מבצע: עיבוד גрубה לעומת עיבוד גימור, תנאים של השתלבות שונים.

• כלים: חומר הכלי (למשל, CBN, חומר קרמי), גאומטריה, ציפוי, יחס אורך/קוטר (הבלטה).

• מכונה ובקרת תהליך: קשיות כלי החריטה, עיכוב של מערכת הבקרה ההתאומדת הספציפית.

הפחתת 8% הממוצעת בתזמון תחת AFC מייצגת פשרה קלה. למרות ששבירה ירדה באופן דרמטי, זמן מחזור טהור ליחידה גדל במעט (הערכה של כ-4-5%). בסך הכל ההגדלה בפועוליות מגיעה מהצמצום של זמני המתנה עקב החלפת כלים ושפיכת יחידות.

4.3 השלכות מעשיות לייצרנים
למפעלים שמתקשים בשבר הכלים בפליזים קשים:

1. הערך את עלות השבירה: כולל את עלות הכלים, עלות פסול/תיקון, עלות זמני המתנה, ועלות הפקודה האבודה.

2. הפעל בקרת התאמה בתוכנית ניסיונית: פוקוס על תפעול עם שבירות גבוהה. הטכנולוגיה בשלה וזמינה באופן מיידי אצל יצרני מכשורים או ספקי צד ג'.

3. התמקד בהגדרת סף: הקמת סף הכוח/הספק הנכון היא קריטית. אם תקבע אותו גבוה מדי, ההגנה תהיה לא מספקת; אם תקבע אותו נמוך מדי, תפוקת העבודה תיפגע ללא צורך. מומלץ לבצע ניסיונות ראשוניים תחת פיקוח.

4. שקול את שיעור התשואה (ROI): למרות שיש עלות למערכת, התשואה המהירה מגיעה מפסולת מופחתת משמעותית ופחות זמני השבתה, וכן פוטנציאל להגדלת קצב האכלה מגדיל בצורת אכילה בסיסית בביטחון.

5 סיכום

המחקר הזה, שמבוסס על ייצור, מדגים באופן מוחלט כי טכנולוגיית בקרת תזונה אדפטיבית יעילה מאוד בהפחתת שבירה קטסטרופלית של כלי חיתוך במהלך עיבוד CNC של פליז AISI 4340 מקשה. יישום של בקרה אדפטיבית הביא להפחתה של 89% בשיעור השבירה (מ-30% ל-3.3%) בהשוואה לעיבוד עם פרמטרים קבועים, והושגה עם הפחתה של רק 8% בממוצע של קצב התזונה, מבלי לגרוע מהאיכות הנדרשת של פני השטח. המנגנון המרכזי הוא העדפת השבירה הרגעית של כלי החיתוך מפני עומס נ_INSTANTANI שנובע מהתנאי עיבוד מעברים.

בקרת תזונה אדפטיבית מציעה פתרון עקבי ומעשי לייצרנים המעוניינים לשפר את נ dependableות התהליך, להפחית עלויות של פסול וזמן השבתה, ולשפר את האפקטיביות הכוללת של המכונה (OEE) ביישומים קשים של גימורי פליז מקשה. מחקר עתידי אמור לחקור את אופטימיזציית אסטרטגיות הסף במטרה לשלב בין העדפת שבירה לבין מינימיזציה של זמני מחזור בטווח רחב יותר של חומרים מקושנים ותהליכים.