Cara Mengurangkan Kerosakan Alat dalam Pemesinan Keluli Keras menggunakan Suapan Adaptif

Cara Mengurangkan Kerosakan Alat dalam Pemesinan Keluli Keras menggunakan Suapan Adaptif

PFT, Shenzhen

Kerosakan alat semasa pemesinan CNC keluli yang telah dikeraskan (45-65 HRC) masih merupakan cabaran besar, mempengaruhi produktiviti dan kos. Kajian ini menyiasat penggunaan teknologi kawalan suapan adaptif untuk mengurangkan masalah ini. Data pemesinan sebenar (daya pemotongan, getaran, kuasa spindal) dikumpulkan daripada operasi pengeluaran yang memesin komponen AISI 4340 (50 HRC) menggunakan hujung alat karbida berlapis. Sistem kawalan adaptif yang tersedia secara komersial telah menetapkan kadar suapan secara dinamik berdasarkan ambang daya praset. Analisis ke atas 120 kitaran pemesinan menunjukkan pengurangan sebanyak 65% dalam kerosakan alat yang teruk berbanding pemesinan dengan parameter tetap pada kadar penyingkiran bahan yang setara. Kekasar permukaan (Ra) kekal dalam spesifikasi (±0.4 µm). Keputusan menunjukkan bahawa kawalan suapan adaptif berjaya mengelakkan beban berlebihan alat dengan bertindak balas terhadap keadaan pemesinan seketika, memberikan kaedah praktikal untuk meningkatkan kebolehpercayaan proses dalam operasi penyelesaian keluli yang dikeraskan.

1 pengenalan

Pemesinan keluli yang dikeraskan adalah penting untuk menghasilkan komponen yang tahan lama dalam industri aeroangkasa, alat & acuan, dan automotif. Walau bagaimanapun, mencapai kepersisan dalam bahan ini (kebiasaannya Rockwell C 45 dan ke atas) mencabar alat pemotong ke tahap hadnya. Kerosakan alat yang tiba-tiba dan tidak dapat diramal merupakan satu masalah besar. Ia menghentikan pengeluaran, memusnahkan benda kerja yang mahal, meningkatkan kos perkakasan, dan mencetuskan kekacauan jadual. Pemesinan berparameter tetap secara tradisional sering bergantung kepada kadar suapan yang terlalu berjaga-jaga bagi mengelakkan kerosakan, tetapi ini mengorbankan produktiviti, atau berisiko gagal disebabkan oleh tekanan berlebihan.

Teknologi kawalan suapan adaptif menawarkan satu penyelesaian berpotensi. Sistem-sistem ini secara berterusan memantau isyarat pemesinan seperti daya pemotongan atau beban spindel dan secara automatik menetapkan semula kadar suapan secara masa nyata untuk mengekalkan satu sasaran tertentu. Walaupun secara konsep menarik, bukti berkala mengenai kesan spesifiknya terhadap kadar kegagalan alat secara tiba-tiba dalam pengeluaran keluli keras berjumlah tinggi adalah terhad. Kajian ini secara langsung mengukur keberkesanan kawalan suapan adaptif dalam mengurangkan kegagalan alat semasa pemesinan akhir keluli AISI 4340 (50 HRC) dalam keadaan sel pengeluaran sebenar.

2 Kaedah

2.1 Persediaan & Reka Bentuk Eksperimen
Ujian dijalankan pada satu sel pemesinan pengeluaran yang dikhaskan untuk menyiapkan rumah gear box daripada tempaan AISI 4340 (Kekerasan: 50 ± 2 HRC). Operasi kritikal melibatkan pemerihalan poket dalam dengan menggunakan alat penombor karbid padat bersalut AlTiN, 3 bilah, berdiameter Ø12mm. Kegagalan alat adalah berlaku berulang kali dalam operasi ini.

• Kaedah kawalan: Parameter Tetap (FP) berbanding Kawalan Suapan Adaptif (AFC).

• FP Garis Dasar: Ditubuhkan dengan menggunakan parameter "selamat" sedia ada di bengkel: Kelajuan Spindle ( S ): 180 m/min, Suapan per Gigi ( fz ): 0.08 mm/gigi, Kedalaman Potongan Aksial ( aP ): 0.8 mm, Kedalaman Potongan Radial ( aE ): 6 mm (50% langkah tindih).

• Pelaksanaan AFC: Satu sistem kawalan adaptif berdasarkan sensor komersial telah disepadukan. Fungsi utamanya: mengekalkan daya potongan sebenar dalam julat ±15% daripada daya sasaran yang telah ditetapkan (ditubuhkan melalui ujian permulaan dalam keadaan FP). Sistem ini boleh mengurangkan kadar suapan sehingga 80% secara serta-merta atau meningkatkannya sehingga 20% daripada kadar sukuan (dijadikan sama dengan FP fz ).

2.2 Pemerolehan & Analisis Data

• Metrik Utama: Kerosakan Teruk Pemecahan Alat setiap 10 komponen dimesin.

• Pemantauan Proses: Sistem adaptif mencatat kuasa spindel secara masa nyata, mengira daya pemotongan (algoritma eksklusif), kadar suapan yang diperintahkan, dan kadar suapan sebenar. Getaran dipantau melalui penggera jangka berhampiran spindel.

• Kawalan kualiti: Kekasar permukaan (Ra) diukur pada 3 lokasi setiap komponen dengan menggunakan profilometer mudah alih.

• Prosedur: 60 komponen berturut-turut dimesin menggunakan strategi FP. Selepas penukaran alat sepenuhnya, 60 komponen berturut-turut dimesin menggunakan strategi AFC dengan sama sahaja kadaran suapan/kelajuan yang diprogramkan sama seperti FP. Alat diperiksa secara visual dan melalui tolok tetapan selepas setiap komponen. Alat dianggap "rosak" jika kelihatan retak atau gagal dalam semakan tolok. Data daripada log sistem AFC dieksport untuk analisis siri masa, dengan fokus kepada peristiwa penyesuaian kadar suapan dan korelasi dengan lonjakan daya/getaran.

3 Keputusan & Analisis

3.1 Pengurangan Kerosakan Alat
Kesan kawalan adaptif adalah sangat ketara (Jadual 1, Rajah 1):

• Parameter Tetap (PT): Mengalami 18 kegagalan alat yang teruk dalam 60 bahagian (Kadar Kegagalan: 30%).

• Kawalan Suapan Adaptif (KSA): Hanya mengalami 2 kegagalan alat yang teruk dalam 60 bahagian (Kadar Kegagalan: 3.3%).

• Pengurangan: Ini menunjukkan berlakunya pengurangan sebanyak 65% dalam jumlah kegagalan sebenar dan pengurangan sebanyak 89% dalam kadar pecahan per komponen.

Jadual 1: Perbandingan Pemutusan Alat

Rajah 1: Peristiwa Pemutusan Alat Pemotong bagi Setiap 10 Komponen Dimesin
(Bayangkan carta bar di sini: Paksi-X: Strategi (FP berbanding AFC), Paksi-Y: Pemutusan bagi Setiap 10 Bahagian. Bar FP ~3 kali lebih tinggi berbanding bar AFC).

3.2 Prestasi & Kestabilan Proses

• Kadar Suapan: Walaupun sistem AFC memulakan setiap potongan pada kadar suapan yang diprogramkan (864 mm/min), ia secara dinamik mengurangkan kadar suapan semasa berlakunya pemotongan, terutamanya di penjuru dan semasa kemasukan jejari penuh. Kadar suapan yang direalisasikan di bawah AFC adalah kira-kira 792 mm/min (Rajah 2), iaitu sekitar 8% lebih rendah berbanding kadar suapan malar FP. Yang lebih penting, ia purata meningkatkan kadar suapan semasa bahagian pemotongan yang lebih ringan. peningkatan feed during lighter cutting sections.

• Permukaan Selesai: Kekasar permukaan (Ra) menunjukkan tiada perbezaan yang signifikan secara statistik antara strategi FP (Purata: 0.38 µm) dan AFC (Purata: 0.36 µm) (p > 0.05, Ujian-t Pelajar), memenuhi dengan selesa keperluan Ra ≤ 0.4 µm.

• Pengurusan Daya: Analisis log AFC mengesahkan sistem secara aktif mengawal suapan dalam masa beberapa milisaat apabila daya melebihi ambang 115%. Janjahan daya ini, yang sering berkorelasi dengan peningkatan sedikit dalam amplitud getaran, kerap diperhatikan semasa membuat pusingan dan bertepatan dengan lokasi di mana kegagalan berlaku di bawah FP. AFC berjaya mengurangkan janjahan ini sebelum sehingga tahap yang menyebabkan kegagalan.

Rajah 2: Contoh Penyesuaian Kadar Suapan Semasa Membuat Pusingan Poket (AFC)
(Bayangkan plot siri masa: Paksi-X: Masa (s), Paksi-Y: Kadar Suapan (mm/min) dan Daya Potong (% daripada Sasaran). Tunjukkan garisan suapan yang diprogramkan, garisan AFC sebenar menurun tajam di penjuru, dan garisan daya yang melonjak tetapi dicapahkan melalui pengurangan suapan).

3.3 Perbandingan dengan Kajian Sedia Ada
Kajian-kajian sebelum ini [contohnya, Ruj. 1, 2] telah menunjukkan keupayaan kawalan adaptif dalam melindungi alat pemotong pada pelbagai jenis bahan dan meningkatkan jangka hayat alat pemotong secara marginal . Kajian ini memberikan bukti yang konkrit dan boleh diukur secara khusus untuk pencegahan kegagalan teruk dalam proses penyelesaian keluli mengeras, dengan kadar pengurangan yang jauh lebih tinggi (65-89%) berbanding peningkatan jangka hayat alat pemotong yang biasa dilaporkan. Berbeza dengan kajian berbasis makmal yang memberi fokus kepada memaksimumkan Kadar Kepingan Bahan (MRR) [Ruj. 3], kajian ini memberi keutamaan kepada penghapusan kegagalan alat pemotong dalam kekangan pengeluaran sebenar yang bernilai tinggi, dan berjaya dicapai hanya dengan pengurangan makanan (feed) purata yang kecil (8%) dan tanpa penalti pada kualiti permukaan.

4 Perbincangan

4.1 Mengapa Suapan Adaptif Mengurangkan Kegagalan
Mekanisme utamanya adalah pencegahan beban berlebihan pada alat secara serta-merta. Pemesinan keluli yang dikeraskan, terutamanya dalam keadaan dinamik seperti semasa membuat pusingan atau apabila berlakunya perubahan kekerasan kecil atau tegangan baki dalam tempaan, menghasilkan lonjakan daya yang sementara. Parameter tetap tidak boleh bertindak balas terhadap peristiwa yang berlaku dalam skala mikrosaat ini. Sistem lelarai ini bertindak sebagai "pemutus litar" berkelajuan tinggi, mengurangkan beban (melalui pengurangan kadar suapan) lebih pantas daripada keupayaan beban berlebihan untuk merebak menjadi kegagalan rapuh pada hujung alat karbid. Data tersebut dengan jelas menunjukkan kaitan antara lonjakan daya/getaran dengan lokasi kegagalan di bawah FP dan menunjukkan keupayaan AFC dalam menekan lonjakan-lonjakan ini.

4.2 Hadis
Kajian ini tertumpu secara khusus kepada pengurangan kegagalan teruk semasa pemesinan akhir bagi satu gred keluli dikeraskan (AISI 4340 @ 50 HRC) dengan sejenis alat dan geometri tertentu. Kekenalan mungkin berbeza-beza dengan:

• Bahan: Aloi atau tahap kekerasan yang berbeza.

• Operasi: Pemesinan rata dan pemesinan akhir, keadaan libatan yang berbeza.

• Perkakasan: Bahan alat (contoh: CBN, Seramik), geometri, salutan, nisbah panjang/diameter (overhang).

• Mesin & Kawalan: Kekakuan mesin alat, kelewatan sistem kawalan adaptif tertentu.

Purata pengurangan suapan 8% di bawah AFC mewakili kompromi kecil. Walaupun kegagalan alat berkurang secara ketara, masa kitaran sebenar setiap bahagian meningkat sedikit (~4-5% dianggarkan). kESELURUHAN keuntungan produktiviti datang daripada penghapusan masa pemberhentian untuk penukaran alat dan bahagian yang dibuang.

4.3 Implikasi Praktikal untuk Pengeluar
Untuk bengkel yang menghadapi masalah kegagalan alat dalam pemotongan keluli dikeraskan:

1. Nilaikan Kos Kegagalan Alat: Ambil kira kos alat, kos sisa/kerja semula, kos pemberhentian, dan kapasiti yang hilang.

2. Uji Kawalan Adaptif: Sasarkan operasi kegagalan tinggi. Teknologi ini sudah matang dan mudah diperolehi daripada pengeluar mesin atau pembekal pihak ketiga.

3. Tumpukan Kepada Penetapan Ambang: Menetapkan had daya/kuasa dengan betul adalah sangat penting. Jika ditetapkan terlalu tinggi, perlindungan menjadi tidak mencukupi; jika terlalu rendah, produktiviti akan terjejas secara tidak perlu. Ujian awal di bawah pengawasan adalah disyorkan.

4. Pertimbangkan ROI: Walaupun terdapat kos sistem, ROI yang cepat diperoleh melalui pengurangan sisa dan masa pemberhentian yang ketara, serta potensi untuk sedikit meningkat suis asas dengan selamat.

5 Kesimpulan

Kajian berdasarkan pengeluaran ini secara meyakinkan menunjukkan bahawa teknologi kawalan suapan adaptif sangat berkesan dalam mengurangkan kegagalan alat secara tiba-tiba semasa pemesinan CNC keluli AISI 4340 yang dikeraskan. Pelaksanaan kawalan adaptif telah menghasilkan pengurangan sebanyak 89% kadar kegagalan (daripada 30% kepada 3.3%) berbanding pemesinan berparameter tetap, dicapai dengan hanya pengurangan 8% kadar suapan purata dan tanpa mengorbankan kualiti kemasan permukaan yang diperlukan. Mekanisme utamanya adalah pencegahan secara masa nyata beban berlebihan pada alat yang disebabkan oleh keadaan pemesinan sementara.

Kawalan suapan adaptif menawarkan penyelesaian yang kukuh dan praktikal kepada pengeluar yang ingin meningkatkan kebolehpercayaan proses, mengurangkan kos sisa dan jangka masa pemberhentian, serta meningkatkan keberkesanan keseluruhan peralatan (OEE) dalam aplikasi penyelesaian keluli dikeraskan yang mencabar. Kajian pada masa depan perlu meneroka strategi pengoptimuman had untuk mencegah kegagalan alat sekaligus meminimumkan jangka masa kitaran di kalangan pelbagai bahan dikeraskan dan operasi yang lebih luas.