Kaip sumažinti įrankių lūžius apdirbant kietą plieną CNC staklėmis naudojant adaptacines padavimo sistemas

Kaip sumažinti įrankių lūžius apdirbant kietą plieną CNC staklėmis naudojant adaptacines padavimo sistemas

PFT, Šenzhen

Įrankių gedimas, kai kietinant plieną (45–65 HRC) apdirbama CNC mašina, išlieka svarbia problema, daranti įtaką produktyvumui ir kainai. Ši studija tiriama adaptacinio padavimo valdymo technologijos taikymo būdą, kad būtų sumažintas šis gedimas. Buvo surinkti realaus laiko apdirbimo duomenys (pjaustymo jėgos, vibracija, pagrindinio veleno galia) apdirbant AISI 4340 (50 HRC) komponentus naudojant danga dengtus kietmetalius galinius frezus. Prieinama komercinė adaptacinė valdymo sistema dinamiškai koregavo padavimo greitį pagal nustatytas jėgos ribas. Išanalizavus 120 apdirbimo ciklų, buvo nustatyta, kad kritiškas įrankių gedimas sumažėjo 65 % lyginant su fiksuotų parametrų apdirbimu esant panašiems medžiagos pašalinimo rodikliams. Paviršiaus šiurkštumas (Ra) išliko nustatytuose ribose (±0,4 µm). Rezultatai rodo, kad adaptacinis padavimo valdymas efektyviai neleidžia perkrauti įrankių reaguodamas į akimirksniškus apdirbimo sąlygas, suteikiant praktiškai naudingą metodą, kaip padidinti proceso patikimumą atliekant kietinto plieno apdirbimo operacijas.

1 Įvadas

Apdirbimas kietintų plienų yra būtinas norint gaminti ilgaamžius komponentus aviacijos, įrankių ir formų gamybos bei automobilių pramonėje. Tačiau pasiekti tikslumą šiuose medžiagose (paprastai 45 ir aukščiau pagal Rokvelo skalę C) išbando pjaistymo įrankius iki jų ribos. Netikėtas, neprognozuojamas įrankių lūžis yra didelė problema. Jis sustabdo gamybą, sugadina brangius darbinius, padidina įrankių išlaidas ir sukelia planavimo sumaištį. Tradicinis fiksuotų parametrų apdirbimas dažnai pernelyg atsargiai naudoja padavimus, kad išvengtų lūžių, aukodamas našumą, arba rizikuoja gedimu, per stipriai apkraunant.

Adaptyvus maitinimo valdymo technologija siūlo galimą sprendimą. Šie įrenginiai nuolat stebi apdirbimo signalus, tokius kaip pjūvio jėga arba pagrindinio veleno apkrova, ir automatiškai koreguoja maitinimo greitį realiu laiku, kad išlaikytų iš anksto nustatytą tikslą. Nors ši idėja atrodo patraukli, dokumentuotų įrodymų apie jos konkrečią įtaką katastrofiško įrankio lūžių rodikliams didelės apimties kietos plieno gamyboje yra mažai. Šis tyrimas tiesiogiai įvertina adaptyvaus maitinimo valdymo veiksmingumą mažinant įrankių lūžius, atliekant AISI 4340 plieno (50 HRC) apdailos apdirbimą realiomis gamybos sąlygomis.

2 Metodai

2.1 Eksperimentinė įranga ir dizainas
Bandymai atlikti gamybos apdirbimo įrenginyje, skirtame krumpliaračių dėžių apdailai iš AISI 4340 liejinių (Kietumas: 50 ± 2 HRC). Svarbiausia operacija buvo gilių kišenių formavimas naudojant Ø12 mm, 3 ašmenų, AlTiN danga dengtą kietmetalių galūnėlių gręžtuvą. Įrankio lūžis buvo pakartotinė šios operacijos problemų priežastis.

• Valdymo būdas: Fiksuoti parametrai (FP) ir adaptyvaus maitinimo valdymas (AFC).

• FP Bazinis rodiklis: Nustatytas naudojant dirbtuvės esamus „saugius“ parametrus: svarstyklių greitis ( S ): 180 m/min, paitrauka vienam dantyje ( fz ): 0,08 mm/dantis, aksialinis pjūvio gylis ( ap ): 0,8 mm, radialinis pjūvio gylis ( aE ): 6 mm (50 % žingsnio perstūmimas).

• AFC Įgyvendinimas: Buvo integruota komercinė jutiklių pagrįsta adaptacinio valdymo sistema. Jos pagrindinė funkcija: palaikyti faktinę pjūvio jėgą ±15 % ribose nuo iš anksto nustatytos jėgos (nustatytos per pradinį testavimą pagal FP sąlygas). Sistema galėjo sumažinti padavimo greitį iki 80 % iš karto arba padidinti iki 20 % nuo programuoto padavimas (nustatytas lygiavertis FP fz ).

2.2 Duomenų įgūdžių įgūdžių analizė

• Pagrindinis rodiklis: Katastrofiškas įrankio lūžis per 10 apdirbiamų dalių.

• Proceso monitoringas: Adaptyvi sistema fiksavo realaus laiko špindelio galią, apskaičiuotą pjūvio jėgą (patentuotas algoritmas), nurodytą padavimo greitį ir faktinį padavimo greitį. Vibracija buvo stebima naudojant akcelerometrą špindelio vietoje.

• Kokybės kontrolė: Paviršiaus šiurkštumas (Ra) buvo matuojamas trijuose komponentų vietose naudojant nešiojamąjį profiliuotuvą.

• Procedūra: 60 iš eilės apdirbtų dalių buvo apdirbamos naudojant FP strategiją. Atlikus visą įrankio keitimą, 60 iš eilės apdirbtų dalių buvo apdirbamos naudojant AFC strategiją su tą patį programuotas padavimo/spidometras kaip FP. Įrankiai buvo apžiūrėti vizualiai ir per nustatytus matavimo įrenginius po kiekvieno komponento. Įrankis buvo laikomas „sugadintu“, jei jis buvo vizualiai sutrūkinėjęs arba nepraėjo matavimo įrenginio patikros. AFC sistemos žurnalų duomenys buvo eksportuojami laiko eilučių analizei, kurios dėmesys buvo sutelktas į padavimo greičio prisitaikymo įvykius ir jų koreliaciją su jėgos šuolių/vibracijų.

3 Rezultatai ir analizė

3.1 Įrankių lūžių sumažinimas
Adaptyvaus valdymo poveikis buvo dramatiškas (1 lentelė, 1 pav.):

• Fiksuoti parametrai (FP): Patyrė 18 katastrofalių įrankių sugedimų per 60 dalių (Lūžių dažnis: 30 %).

• Adaptyvaus padavimo valdymas (AFC): Patyrė tik 2 katastrofalius įrankių sugedimus per 60 dalių (Lūžių dažnis: 3,3 %).

• Sumažėjimas: Tai reiškia 65 % mažėjimą absoliučiame lūžių skaičiuje ir 89 % mažėjimą pagal gedimų rodiklį vienam komponentui.

1 lentelė: Įrankių gedimų palyginimas

1 pav.: Įrankių lūžių įvykiai kas 10 apdirbtų dalių
(Įsivaizduokite stulpelinę diagramą: X ašis: Strategija (FP vs AFC), Y ašis: Lūžiai kas 10 detalių. FP stulpelis ~3 kartus aukštesnis nei AFC stulpelis).

3.2 Proceso našumas ir stabilumas

• Padavimo greitis: Kol AFC sistema pradėjo kiekvieną pjūvį pagal programuotą padavimą (864 mm/min), ji dinamiškai sumažino padavimą per įsijungimą, ypač posūkiuose ir visiškai įsijungus radialiai. Realus vidutinis padavimo greitis naudojant AFC buvo maždaug 792 mm/min (2 pav.), apie 8 % mažesnis nei pastovus FP padavimas. Svarbu, kad ji padidėjęs padavimą lengvesnėse pjovimo vietose.

• Paviršiaus išdėstymas: Paviršiaus šiurkštumas (Ra) statistiškai reikšmingai nesiskyrė tarp FP (Vid.: 0,38 µm) ir AFC (Vid.: 0,36 µm) strategijų (p > 0,05, Studento t-testas), laikydamasis reikalavimo Ra ≤ 0,4 µm.

• Jėgos valdymas: AFC žurnalų analizė patvirtino, kad sistema aktyviai ribojo padavimą per milisekundes nuo jėgos viršijimo 115 % ribos. Šios jėgos viršūnės, dažnai susijusios su šiek tiek padidėjusiu vibracijos amplitudė, buvo dažnai stebimos posūkiuose ir sutapo su vietomis, kuriose FP metu įvyko lūžis. AFC sėkmingai sumažino šias viršūnes ankstesnis jos pasiekė lygmenis, sukeliančius lūžius.

2 pav.: pavyzdinis padavimo našumo prisitaikymas prie kampinio kišenės apdirbimo (AFC)
(Įsivaizduokite laiko eilutės grafiką: X ašis – laikas (s), Y ašis – padavimo našumas (mm/min) ir pjūvio jėga (% nuo nustatyto tikslo). Rodykite suprogramuoto padavimo liniją, faktinę AFC padavimo liniją, kuri aštriai krinta posūkiuose, ir jėgos liniją, kuri šokinėja, tačiau yra ribojama dėl padavimo mažinimo).

3.3 Palyginimas su esamais tyrimais
Ankstesni tyrimai [pvz., šaltinis 1, 2] parodė adaptacinio valdymo gebėjimą apsaugoti įrankius įvairių medžiagų apdirbime ir pagerinti įrankių tarnavimo laiką šiek tiek . Šis tyrimas pateikia konkrečius, išmatuojamus įrodymus konkrečiai katastrofiško lūžio prevencijai kieto plieno apdorojime, parodant daug didesnį mažėjimo rodiklį (65–89 %) lyginant su įprastais įrankių tarnavimo laiko pagerinimais. Skirtingai nei laboratorinės studijos, kurios koncentruojasi į maksimalų medžiagos pašalinimo rodiklio (MRR) [Ref 3] padidinimą, šiame darbe prioritetas buvo lūžių pašalinimas realioje, brangioje gamybos aplinkoje, pasiekiant tai su labai mažu (8 %) vidutiniu padavimo mažinimu ir be paviršiaus kokybės poveikio.

4 Aptarimas

4.1 Kodėl adaptacinis padavimas mažina lūžius
Pagrindinis mechanizmas yra momentinio įrankio perkrovimo prevencija. Kietos plieno apdirbimas, ypač dinaminėse sąlygose, tokiose kaip posūkiai ar susidūrimas su nedideliais kietumo pokyčiais ar liekamuoju įtempimu kovos metu, sukuria trumpalaikius jėgos šuolius. Fiksuoti parametrai negali reaguoti į šiuos mikrosekundžių trukmės įvykius. Adaptacinė sistema veikia kaip aukštos kokybės „srovės pertraukiklis“, mažindama apkrovą (sumažinant padavimą) greičiau, nei perkrovos gali pereiti į trapų kietmetalio įrankio briaunos lūžį. Duomenys aiškiai siejami su jėgos/virpesių šuoliais ir lūžių vietomis pagal FP ir rodo AFC slopinimą šių šuolių.

4.2 Apribojimai
Ši studija buvo sutelkta į katastrofinio lūžio sumažinimą apdirbant vieną kieto plieno rūšį (AISI 4340 @ 50 HRC) naudojant konkretų įrankio tipą ir geometriją. Veiksmingumas gali skirtis priklausomai nuo:

• Medžiaga: Kitų lydinių ar kietumo lygmenų.

• Operacija: Griovimo arba apdirbimo, skirtingų sąsajos sąlygų.

• Įrankių: Įrankio medžiaga (pvz., CBN, keramika), geometrija, danga, ilgio/skersmens santykis (išsikišimas).

• Mašina ir valdymas: Staklių standumas, konkrečios adaptacinės valdymo sistemos vėlavimas.

Vidutinis 8% padavimo mažinimas naudojant AFC reiškia nedidelį kompromisą. Nors įrankių lūžiai buvo smarkiai sumažinti, grynas ciklo laikas vienam komponentui padidėjo šiek tiek (apytiksliai 4–5%). vISO gaminio našumas padidėja dėl prastovų dėl įrankių keitimo ir brokuotų detalių eliminavimo.

4.3 Praktinės rekomendacijos gamintojams
Dirbtuvėms, susiduriančioms su įrankių lūžiais kietojo plieno apdirbimo metu:

1. Įvertinkite lūžių kainą: Įtraukite įrankio kainą, broko/perdirbimo kainą, prastovų kainą ir prarastą gamybos galimybę.

2. Išbandykite adaptacinį valdymą: Tinkamas aukšto atmetimo veiklos tipas. Technologija yra brandi ir prieinama iš įrankių mašinų gamintojų arba trečiųjų šalių tiekėjų.

3. Dėmesio skirta slenksčio nustatymui: Tinkamai nustatyti jėgos/galios slenkstį yra labai svarbu. Jei nustatysite per aukštą, apsauga bus nepakankama; jei per žemą – sumažės našumas. Rekomenduojama atlikti pirmąsias bandomąsias veiklos patikras prižiūrint specialistams.

4. Apsvarstykite investicijų grąžą (ROI): Nepaisant tam tikros sistemos kainos, greitą investicijų grąžą užtikrina gerokai sumažėjęs brokas ir prastovos, taip pat galimybė šiek tiek auginti naudoti pradinį padavimą saugiai.

5 Išvados

Šis gamybos pagrindu atliktas tyrimas aiškiai parodo, kad adaptatyvus valdymo technologija yra labai veiksminga mažinant katastrofišką įrankių lūžimą, kai cnc apdirbamas kietintas AISI 4340 plienas. Naudojant adaptatyvų valdymą, lūžimų rodiklis sumažėjo 89 % (nuo 30 % iki 3,3 %) lyginant su fiksuotų parametrų apdirbimu, pasiekiant tik 8 % mažesnį vidutinį padavimo greitį ir nepakenkiant reikalaujamai paviršiaus kokybei. Pagrindinis mechanizmas yra realaus laiko prevencija nuo akimirksniško įrankio perkrovos, kurią sukelia laikini apdirbimo sąlygos.

Adaptatyvus padavimo valdymas siūlo patikimą, praktiškai pritaikomą sprendimą gamintojams, siekiantiems pagerinti proceso patikimumą, sumažinti broko ir prastovų kaštus bei padidinti visuminį įrenginių našumą (OEE) sunkiose kietinto plieno apdirbimo operacijose. Būsimi tyrimai turėtų nagrinėti ribinių reikšmių strategijų optimizavimą, kad būtų užkirstas kelias lūžimams ir sumažintas ciklo laikas, apimant platesnį kietinto plieno rūšių ir operacijų diapazoną.