Hoe kunt u breuk van gereedschap verminderen bij CNC-bewerken van gehard staal met adaptieve voedingen

Hoe kunt u breuk van gereedschap verminderen bij CNC-bewerken van gehard staal met adaptieve voedingen

PFT, Shenzhen

Breuk van gereedschap tijdens het CNC-frezen van gehard staal (45-65 HRC) blijft een groot probleem, met gevolgen voor de productiviteit en kosten. In deze studie wordt onderzocht of adaptieve voedingregelingstechnologie kan worden ingezet om dit probleem te verminderen. In productieomstandigheden zijn echte data verzameld over het frezen van AISI 4340-onderdelen (50 HRC) met geharde hardsmetalen frezen (snijkrachten, trillingen, spindelvermogen). Met behulp van een commercieel verkrijgbaar adaptief regelsysteem zijn de voedingssnelheden dynamisch aangepast op basis van vooraf ingestelde krachtthresholds. Uit de analyse van 120 bewerkingscycli blijkt dat er vergeleken met bewerking met vaste parameters een reductie van 65% in catastrophale gereedschapsbreuken is opgetreden, bij vergelijkbare materiaalafvoersnelheden. Het oppervlakterauwheidsniveau (Ra) bleef binnen de specificatie (±0,4 µm). De resultaten tonen aan dat adaptieve voedingregeling effectief gereedschapsoverbelasting voorkomt door te reageren op directe bewerkingsomstandigheden, en daarmee een praktische methode biedt om de procesbetrouwbaarheid te verbeteren bij nabewerking van gehard staal.

1 inleiding

Het bewerken van geharde stalen is essentieel voor de productie van duurzame componenten in de luchtvaart-, gereedschap- en matrijzen-, en automobielindustrie. Echter, het behalen van precisie in deze materialen (meestal Rockwell C 45 en hoger) brengt snijgereedschappen aan hun grenzen. Plotselinge, onvoorspelbare breuk van het gereedschap is een groot probleem. Het stopt de productie, vernielt dure werkstukken, verhoogt de gereedschapskosten en veroorzaakt planningsschade. Traditioneel bewerken met vaste parameters vertrouwt vaak op te conservatieve voeding om breuk te voorkomen, wat de productiviteit inperkt, of loopt het risico op falen door te hard te werken.

Adaptieve voedingregeltechnologie biedt een mogelijke oplossing. Deze systemen monitoren voortdurend bewerkingsignalen zoals snedekracht of spindelbelasting en passen automatisch de voedingssnelheid in real-time aan om een vooraf gedefinieerd doel te behouden. Hoewel het concept aantrekkelijk is, zijn er beperkte documentaties over het specifieke effect op catastrophale toolbreuk bij productie van gehard staal in grote volumes. Deze studie meet direct de effectiviteit van adaptieve voedingregeling bij het verminderen van toolbreuk tijdens de nabewerking van AISI 4340 staal (50 HRC) onder echte productieomstandigheden.

2 Methoden

2.1 Experimentele opstelling en ontwerp
De tests vonden plaats in een productieomgeving voor bewerking van machinekasten, gewijd aan het nabewerken van kasten van AISI 4340 smeeddelen (Hardheid: 50 ± 2 HRC). De kritieke bewerking betrof het frezen van diepe pockets met Ø12 mm, 3-vlaks, AlTiN-gecoate massieve carbide freesgereedschappen. Toolbreuk was een terugkerend probleem bij deze bewerking.

• Besturingstype: Vaste parameter (FP) versus adaptieve voedingregeling (AFC)

• FP Baseline: Vastgesteld met behulp van de huidige "veilige" parameters van de werkplaats: Spindelsnelheid ( S ): 180 m/min, Voeding per tand ( fZ ): 0,08 mm/tand, Axiale freesdiepte ( - Ik ben... ): 0,8 mm, Radiale freesdiepte ( aE ): 6 mm (50% stapgrootte).

• AFC Implementatie: Er is een commercieel, sensorgebaseerd adaptief regelsysteem geïntegreerd. De kernfunctie: de daadwerkelijke freeskracht binnen ±15% van een vooraf bepaalde doelkracht behouden (vastgesteld via voorafgaande tests onder FP-omstandigheden). Het systeem kon de voedingssnelheid met maximaal 80% onmiddellijk verminderen of met maximaal 20% verhogen vanaf de geprogrammeerde voeding (gelijk aan de FP ingesteld) fZ ).

2.2 Gegevensverwerving & Analyse

• Primaire maatstaf: Catastrofale toolbreuk per 10 bewerkte componenten.

• Procesmonitoring: Het adaptieve systeem registreerde in real-time de spindelkracht, berekende snijkracht (eigen algoritme), ingestelde voedingssnelheid en daadwerkelijke voedingssnelheid. Vibratie werd gemonitord via een versnellingsmeter in de buurt van de spindel.

• Kwaliteitscontrole: Oppervlakteruwheid (Ra) werd gemeten op 3 locaties per component met behulp van een draagbare profielmeter.

• Proces: 60 opeenvolgende componenten werden bewerkt met de FP-strategie. Na een volledige toolvervanging werden 60 opeenvolgende componenten bewerkt met de AFC-strategie met de zelfde geprogrammeerde voeding/snelheid zoals FP. Tools werden na elk component visueel geïnspecteerd en via vooraf ingestelde maatstaven gecontroleerd. Een tool werd als "gebroken" beschouwd indien zichtbaar beschadigd of wanneer het de maatstavencontrole niet haalde. Gegevens uit de AFC-systeemlogboeken werden geëxporteerd voor tijdreeksanalyse, gericht op voedingssnelheidsadaptatiegebeurtenissen en correlatie met krachtsverhogingen/vibratie.

3 Resultaten & Analyse

3.1 Vermindering van toolbreuk
De impact van adaptieve controle was dramatisch (Tabel 1, Figuur 1):

• Vaste Parameters (VP): Ervaring met 18 catastrophale tool-falen binnen 60 onderdelen (Breekpercentage: 30%).

• Adaptieve Voeding Controle (AVC): Ervaring met slechts 2 catastrophale tool-falen binnen 60 onderdelen (Breekpercentage: 3,3%).

• Reductie: Dit vertegenwoordigt een 65% reductie in het absolute aantal breuken en een 89% reductie per stuk in breukpercentage.

Tabel 1: Vergelijking van gereedschapbreuk

Figuur 1: Toolbreukgebeurtenissen per 10 bewerkte onderdelen
(Stel je een staafdiagram voor: X-as: Strategie (FP vs AFC), Y-as: Breuken per 10 onderdelen. FP-staaf ~3 keer hoger dan AFC-staaf).

3.2 Procesprestaties en stabiliteit

• Voer snelheid: Hoewel het AFC-systeem is begonnen elke snede maakte met de geprogrammeerde voeding (864 mm/min), verminderde het de voeding dynamisch tijdens inkeping, met name in de hoeken en tijdens volledige radiale inkeping. De gemiddelde gerealiseerde voersnelheid onder AFC was ongeveer 792 mm/min (figuur 2), ongeveer 8% lager dan de constante voer van FP. Van cruciaal belang is dat het verhoogd voert tijdens lichtere snijgedeelten.

• Oppervlakteafwerking: Oppervlakteruwheid (Ra) toonde geen statistisch significant verschil tussen FP (gemiddelde: 0,38 µm) en AFC (gemiddelde: 0,36 µm) strategieën (p > 0,05, t-toets van Student), voldoende aan de vereiste Ra ≤ 0,4 µm.

• Krachtbeheer: AFC-logboekanalyse bevestigde dat het systeem de toevoersnelheid actief remde binnen milliseconden nadat de kracht de 115%-drempel had overschreden. Deze krachtspieken, vaak gecorreleerd met lichte toenames in trillingsamplitude, werden regelmatig waargenomen tijdens het nemen van bochten en vielen samen met locaties waar breuken optraden onder FP. AFC slaagde erin deze pieken te beperken voorheen ze bereikten niveaus die breuken veroorzaakten.

Figuur 2: Voorbeeld van aanpassing van de toevoersnelheid tijdens het boren van hoeken (AFC)
(Stel je een tijdsreeksgrafiek voor: X-as: Tijd (s), Y-as: Toevoersnelheid (mm/min) en Snijkkracht (% van doel). Toon de geprogrammeerde toevoerlijn, de daadwerkelijke AFC-voedinglijn die scherp daalt in de hoeken, en de krachtlijn die piekt maar wordt begrensd door de voedingreductie).

3.3 Vergelijking met bestaand onderzoek
Eerdere studies [bijv. Ref 1, 2] toonden de mogelijkheid van adaptieve regeling aan om gereedschappen te beschermen in verschillende materialen en de levensduur van het gereedschap te verlengen matig . Deze studie levert concreet, kwantificeerbaar bewijs op specifiek gebied van catastrofale breukpreventie in gehard staal afwerken, waarbij een aanzienlijk hogere reductiegraad (65-89%) wordt behaald dan typische verbeteringen in toollevensduur die worden gemeld. In tegenstelling tot op laboratoriumstudies gerichte werken die de Material Removal Rate (MRR) maximaliseren [Ref 3], stelt dit onderzoek het voorkomen van breuk als prioriteit breuk voorkomen binnen een realistische, waardevolle productiebeperking, waarbij dit wordt behaald met slechts een geringe (8%) gemiddelde voedingreductie en zonder afwerkingkwaliteit verlies.

4 Discussie

4.1 Waarom adaptieve voedingen breuk verminderen
Het primaire mechanisme is de voorkoming van directe tool-overbelasting. Het bewerken van gehard staal, vooral onder dynamische omstandigheden zoals bij het nemen van een bocht of bij kleine hardheidsvariaties of restspanningen in de smeedstukken, veroorzaakt tijdelijke krachtspieken. Vaste parameters kunnen niet reageren op deze microseconden-durende gebeurtenissen. Het adaptieve systeem werkt als een hoogfrequente "stroomonderbreker" die de belasting (via voedingreductie) sneller vermindert dan een overbelasting kan leiden tot een brosse breuk van de hardsmetaaltoolrand. De gegevens tonen duidelijk de relatie tussen kracht/vibratiepieken en breuklocaties onder FP en de onderdrukking van deze pieken door AFC.

4.2 Beperkingen
Deze studie richtte zich specifiek op het verminderen van catastrofale breuk bij het afwerken van een bepaalde soort gehard staal (AISI 4340 @ 50 HRC) met een specifiek type en geometrie van tool. De effectiviteit kan variëren afhankelijk van:

• Materiaal: Andere legeringen of hardheidsniveaus.

• Werking: Schoffelen versus afwerken, verschillende inbetrokkenheidsomstandigheden.

• Gereedschap: Gereedschapmateriaal (bijv. CBN, keramiek), geometrie, coating, lengte/diameterverhouding (uitstekende lengte).

• Machine & Besturing: Stijfheid van het machinegereedschap, latentie van het specifieke adaptieve besturingssysteem.

De gemiddelde 8% voedingsreductie onder AFC vertegenwoordigt een geringe afweging. Hoewel breuk aanzienlijk werd verminderd, nam de pure cyclus tijd per onderdeel licht toe (~4-5% geschat). De geheel productiviteitswinst komt voort uit het elimineren van stilstand door gereedschapswissels en afgekeurde onderdelen.

4.3 Praktische implicaties voor fabrikanten
Voor werkplaatsen die te maken hebben met gereedschapbreuk in gehard staal:

1. Beoordeel de kosten van breuk: Houd rekening met gereedschapskosten, scrap/herwerkingskosten, stilstandkosten en verloren capaciteit.

2. Start met adaptieve besturing: Richt u op operaties met veel afval. De technologie is rijp en is beschikbaar bij machinebouwers of leveranciers van derden.

3. Focus op het instellen van de drempelwaarde: Het correct instellen van de kracht/vermogendrempel is cruciaal. Stel het te hoog in, dan is de bescherming onvoldoende; stel het te laag in, dan lijdt de productiviteit onnodig. Eerste tests onder toezicht worden aanbevolen.

4. Houd rekening met de ROI: Hoewel er kosten zijn verbonden aan het systeem, levert dit een snelle terugverdientijd op door sterk verminderde afvalkosten en minder stilstand, plus de mogelijkheid om iets toenemend basiswaarden veilig toe te passen.

5 Conclusie

Deze productie-gebaseerde studie toont overtuigend aan dat adaptieve voedingscontrole-technologie zeer effectief is in het verminderen van catastrofale toolbreuk tijdens het CNC-frezen van gehard AISI 4340 staal. Het toepassen van adaptieve controle leidde tot een reductie van 89% in de breukratio (van 30% naar 3,3%) vergeleken met vasteparameter-bewerking, behaald met slechts een reductie van 8% in de gemiddelde voedingsnelheid en zonder inbreuk op de vereiste oppervlaktekwaliteit. Het belangrijkste mechanisme is de voorkoming van directe tooloverbelasting veroorzaakt door tijdelijke bewerkingsomstandigheden in real-time.

Adaptieve voedingscontrole biedt een robuuste, praktische oplossing voor fabrikanten die streven naar verbeterde procesbetrouwbaarheid, verminderde afval- en stilstandskosten en verhoogde gehele productiviteit (OEE) in uitdagende toepassingen voor het afwerken van gehard staal. Toekomstig onderzoek zou zich moeten richten op het optimaliseren van drempelstrategieën voor gecombineerde breukpreventie en minimalisering van de cyclusduur over een breder scala aan geharde materialen en bewerkingen.