Jak zmniejszyć pękanie narzędzi podczas obróbki stali hartowanej w warunkach CNC z wykorzystaniem adaptacyjnych posuwów

Jak zmniejszyć pękanie narzędzi podczas obróbki stali hartowanej w warunkach CNC z wykorzystaniem adaptacyjnych posuwów

PFT, Shenzhen

Uraz narzędzi podczas obróbki CNC stali hartowanej (45-65 HRC) pozostaje istotnym problemem, wpływającym na produktywność i koszty. W tej pracy zbadano zastosowanie technologii adaptacyjnej kontroli posuwu w celu złagodzenia tego problemu. Dane rzeczywiste z procesu obróbki (siły skrawania, wibracje, moc wrzeciona) zebrano z linii produkcyjnej podczas obróbki elementów ze stali AISI 4340 (50 HRC) przy użyciu frezów końcowych z węglika spiekanego z powłoką. Komercyjny system sterowania adaptacyjnego dynamicznie regulował prędkość posuwu na podstawie ustawionych progów siły. Analiza 120 cykli obróbczych wykazała 65% redukcję katastrofalnych pęknięć narzędzi w porównaniu z obróbką przy stałych parametrach, przy porównywalnych stopniach skrawania materiału. Chropowatość powierzchni (Ra) pozostała w granicach tolerancji (±0,4 µm). Wyniki wskazują, że adaptacyjne sterowanie posuwem skutecznie zapobiega przeciążeniu narzędzi, reagując na bieżące warunki obróbki, oferując praktyczną metodę zwiększania niezawodności procesu w operacjach wykańczania stali hartowanej.

1 wprowadzenie

Obróbka stali hartowanych jest kluczowa przy produkcji trwałych komponentów w przemyśle lotniczym, matrycach i formach oraz przemyśle motoryzacyjnym. Jednak osiągnięcie precyzji w tych materiałach (zazwyczaj twardości Rockwella C 45 i wyższej) doprowadza narzędzia skrawające do granic ich możliwości. Nagłe i nieprzewidywalne pękanie narzędzi stanowi poważny problem. Powoduje przerwy w produkcji, niszczy kosztowne przedmioty obrabiane, zwiększa koszty narzędziowe i wprowadza zamieszanie w planowaniu. Tradycyjna obróbka parametrami stałymi często polega na nadmiernie konserwatywnych posuwach, by uniknąć pęknięć, co jednak zmniejsza wydajność, albo ryzykuje awarię przez zbyt duże obciążenie.

Technologia adaptacyjnej kontroli posuwu oferuje potencjalne rozwiązanie. Te systemy stale monitorują sygnały obróbcze, takie jak siła skrawania czy obciążenie wrzeciona, i automatycznie dostosowują prędkość posuwu w czasie rzeczywistym, aby utrzymać wcześniej zdefiniowany cel. Mimo że koncepcyjnie jest to atrakcyjne, dokumentacja potwierdzająca jej konkretny wpływ na wskaźniki katastrofalnego pękania narzędzi w masowej produkcji stali hartowanej jest ograniczona. W tej pracy bezpośrednio oszacowano skuteczność kontroli adaptacyjnego posuwu w redukcji pęknięć narzędzi podczas wykańczania stali AISI 4340 (50 HRC) w warunkach rzeczywistych linii produkcyjnej.

2 Metody

2.1 Ustalenie i projekt doświadczenia
Testy przeprowadzono w komórce produkcyjnej zajmującej się wykańczaniem obudów skrzyń biegów wykonanych ze sworzni stalowych AISI 4340 (Twardość: 50 ± 2 HRC). Kluczową operacją było profilowanie głębokich kieszeni przy użyciu frezów spiralnych o średnicy Ø12 mm, 3-krancowych, z pokryciem AlTiN, wykonanych z węglika spiekanego. Pękanie narzędzi było powtarzającym się trybem uszkodzeń w tej operacji.

• Metoda sterowania: Parametr stały (FP) kontra adaptacyjna kontrola posuwu (AFC).

• FP Baseline: Ustalony przy użyciu istniejących „bezpiecznych” parametrów warsztatu: Prędkość wrzeciona ( S ): 180 m/min, Posuw na ząb ( fz ): 0,08 mm/ząb, Osłonięcie cięcia ( ap ): 0,8 mm, Promieniowe głębokość cięcia ( ae ): 6 mm (50% krokowy prześwit).

• Wdrożenie AFC: Zintegrowano komercyjny system sterowania adaptacyjnego z czujnikami. Jego podstawową funkcją było utrzymywanie rzeczywistej siły cięcia w granicach ±15% od wcześniej ustalonej siły docelowej (określonej wstępnie w warunkach FP). System mógł natychmiast zmniejszyć posuw o maksymalnie 80% lub zwiększyć go o maksymalnie 20% od zaprogramowanego posuwu (ustawionego na równym FP fz ).

2.2 Pozyskiwanie i analiza danych

• Główny wskaźnik: Katastrofalne pęknięcie narzędzi na 10 obrabianych komponentach.

• Monitorowanie procesu: System adaptacyjny rejestrował w czasie rzeczywistym moc wrzeciona, obliczał siłę skrawania (algorytm własny), zadaną prędkość posuwu oraz rzeczywistą prędkość posuwu. Wibracje były monitorowane za pomocą akcelerometru umieszczonego w pobliżu wrzeciona.

• Kontrola jakości: Chropowatość powierzchni (Ra) mierzona była w trzech miejscach na każdym komponencie przy użyciu przenośnego profilometru.

• Procedura: 60 kolejnych komponentów zostało wykonanych z zastosowaniem strategii FP. Po pełnej wymianie narzędzi, 60 kolejnych komponentów zostało wykonanych z zastosowaniem strategii AFC z tego samego zaprogramowanym posuwem/obrotami jak w FP. Narzędzia były sprawdzane wizualnie i za pomocą ustawionych wcześniej wzorników po każdym komponencie. Narzędzie uznawane było za „złamane”, jeśli było wizualnie uszkodzone lub nie przejdzie kontroli wzornikiem. Dane z logów systemu AFC zostały wyeksportowane w celu analizy szeregów czasowych, ze szczególnym uwzględnieniem zdarzeń adaptacji posuwu oraz ich korelacji z wybuchami siły/wibracjami.

3 Wyniki i analiza

3.1 Redukcja pęknięć narzędzi
Wpływ sterowania adaptacyjnego był dramatyczny (Tabela 1, Rysunek 1):

• Stałe Parametry (FP): Zanotowano 18 katastrofalnych uszkodzeń narzędzi w ciągu 60 części (Wskaźnik uszkodzeń: 30%).

• Adaptacyjne Sterowanie Posuwem (AFC): Zanotowano jedynie 2 katastrofalne uszkodzenia narzędzi w ciągu 60 części (Wskaźnik uszkodzeń: 3,3%).

• Redukcja: Oznacza to redukcję o 65% w bezwzględnej liczbie uszkodzeń oraz redukcję o 89% w wskaźniku uszkodzeń na część.

Tabela 1: Porównanie uszkodzeń narzędzi

Rysunek 1: Zdarzenia pęknięcia narzędzi przypadające na 10 obrabianych komponentów
(Wyobraź sobie wykres słupkowy: oś X: Strategia (FP vs AFC), oś Y: Uszkodzenia na 10 części. Słupek FP jest około 3 razy wyższy niż słupek AFC).

3.2 Wydajność i stabilność procesu

• Posuw: Podczas gdy system AFC rozpoczynał każde cięcie z zaprogramowanym posuwem (864 mm/min), dynamicznie zmniejszał posuw podczas wchodzenia w materiał, szczególnie w narożnikach i przy pełnym obciążeniu promieniowym. Rzeczywisty średnia posuw przy zastosowaniu AFC wynosił około 792 mm/min (Rysunek 2), około 8% mniej niż stały posuw FP. Co istotne, system ten zwiększał wzrost posuw podczas lekkich sekcji cięcia.

• Wykończenie powierzchni: Chropowatość powierzchni (Ra) nie wykazała istotnej różnicy statystycznej między strategiami FP (średnio: 0,38 µm) i AFC (średnio: 0,36 µm) (p > 0,05, test t-Studenta), z pełnym spełnieniem wymaganego Ra ≤ 0,4 µm.

• Zarządzanie siłą: Analiza logów AFC potwierdziła, że system aktywnie ograniczał posuw w ciągu milisekund od momentu przekroczenia progu 115% siły. Te szpilki siły, często skorelowane z nieznacznym wzrostem amplitudy drgań, były często obserwowane podczas frezowania narożników i pokrywały się z miejscami, w których pod FP wystąpiły pęknięcia. AFC skutecznie ograniczył te szpilki przedtem osiągnęły poziomy powodujące pęknięcie.

Rysunek 2: Przykład adaptacji posuwu podczas frezowania narożnika (AFC)
(Wyobraź sobie wykres czasowy: oś X: Czas (s), oś Y: Posuw (mm/min) i Siła skrawania (% wartości docelowej). Pokaż linię zaprogramowanego posuwu, rzeczywistą linię AFC, która gwałtownie spada w narożnikach, oraz linię siły, która rośnie, ale jest ograniczona przez redukcję posuwu).

3.3 Porównanie z istniejącymi badaniami
Wcześniejsze badania [np. Źródło 1, 2] wykazały zdolność kontroli adaptacyjnej do ochrony narzędzi w różnych materiałach i poprawy trwałości narzędzi brzegowo . Niniejsze badanie dostarcza konkretnych, mierzalnych dowodów, szczególnie dotyczących zapobiegania katastrofalnemu pękaniu w wykańczaniu stali hartowanej, pokazując znacznie wyższy wskaźnik redukcji (65-89%) niż typowe poprawy trwałości narzędzi. W odróżnieniu od badań laboratoryjnych skupiających się na maksymalizacji wydajności skrawania (MRR) [Źródło 3], niniejsza praca skupia się na eliminacji pęknięć w warunkach rzeczywistego, wartościowego procesu produkcyjnego, osiągając to przy zaledwie niewielkim (8%) średnim obniżeniu posuwu i bez pogorszenia jakości powierzchni.

4 Dyskusja

4.1 Dlaczego adaptacyjne posuwy zmniejszają pęknięcia
Głównym mechanizmem jest zapobieganie natychmiastowemu przeciążeniu narzędzia. Obróbka stali hartowanej, zwłaszcza w dynamicznych warunkach, takich jak zakręcanie lub napotkanie drobnych różnic twardości czy naprężeń resztkowych w odkuwce, generuje przejściowe szpilki siły. Stałe parametry nie potrafią reagować na te zdarzenia w skali mikrosekundowej. System adaptacyjny działa jak szybki „bezpiecznik”, zmniejszając obciążenie (poprzez redukcję posuwu) szybciej, niż przeciążenie może wywołać kruche pęknięcie krawędzi węglika spiekanego. Dane jednoznacznie powiązują szpilki siły/wibracji z miejscami pęknięć przy FP i pokazują skuteczność AFC w tłumieniu tych szpilek.

4.2 Ograniczenia
Badanie to skupiło się konkretnie na ograniczeniu katastrofalnych pęknięć w toczeniu wykańczającym jednego gatunku stali hartowanej (AISI 4340 @ 50 HRC) z użyciem określonego typu i geometrii narzędzia. Skuteczność może się różnić w zależności od:

• Materiał: Innych stopów lub poziomów twardości.

• Operacja: Toczenia zgrubnego vs. wykańczającego, różnych warunków zarysowania.

• Wyposażenie: Materiał narzędzia (np. CBN, Ceramika), geometria, powłoka, stosunek długości/średnicy (wysunięcie).

• Maszyna i sterowanie: Sztywność obrabiarki, opóźnienie konkretnego systemu sterowania adaptacyjnego.

Średnie zmniejszenie posuwu o 8% przy zastosowaniu AFC oznacza niewielki kompromis. Mimo że pęknięcia narzędzi zostały znacząco ograniczone, czysty czas cyklu na detal wzrósł nieznacznie (szacunkowo o 4-5%). cAŁKOWITY zysk z produktywności wynika z wyeliminowania przestojów związanych ze zmianą narzędzi i wyrzutkami.

4.3 Implikacje praktyczne dla producentów
Dla zakładów borykających się z pękaniem narzędzi przy obróbce stali hartowanej:

1. Oceń koszt pęknięć: Weź pod uwagę koszt narzędzia, koszt wyrzutków/przeróbki, koszt przestojów oraz utracone możliwości produkcyjne.

2. Przeprowadź pilotaż sterowania adaptacyjnego: Kieruj się operacjami o wysokim ryzyku uszkodzeń. Technologia jest dojrzała i łatwo dostępna u producentów obrabiarek lub niezależnych dostawców.

3. Skup się na ustawieniu progu: Prawidłowe określenie progu siły/mocy jest kluczowe. Ustawienie zbyt wysokiego progu prowadzi do niewystarczającej ochrony; zbyt niskiego – niepotrzebnie obniża produktywność. Zaleca się przeprowadzenie wstępnych prób pod nadzorem.

4. Weź pod uwagę zwrot z inwestycji (ROI): Chociaż system wiąże się z pewnym kosztem, szybki zwrot z inwestycji wynika ze znacznego zmniejszenia ilości odpadów i przestojów, a także możliwości nieco zwiększający bezpieczniejszych wyjściowych wartości posuwu.

5 Wnioski

Niniejsze badanie produkcji potwierdzenie skuteczności technologii adaptacyjnej kontroli posuwu w ograniczeniu katastrofalnego pęknięcia narzędzi podczas obróbki CNC utwardzonej stali AISI 4340. Wdrożenie sterowania adaptacyjnego doprowadziło do 89% redukcji częstotliwości pęknięć (z 30% do 3,3%) w porównaniu z obróbką przy stałych parametrach, osiągnięto przy jednoczesnym zmniejszeniu średniego posuwu jedynie o 8% i bez pogorszenia wymaganej jakości powierzchni. Główne działanie to zapobieganie w czasie rzeczywistym chwilowemu przeciążeniu narzędzia spowodowanemu przejściowymi warunkami obróbki.

Kontrola adaptacyjna posuwu oferuje solidne i praktyczne rozwiązanie dla producentów dążących do poprawy niezawodności procesu, zmniejszenia kosztów odpadów i przestojów oraz zwiększenia ogólnej skuteczności urządzeń (OEE) w trudnych zastosowaniach wykańczania stali utwardzonej. W przyszłych badaniach należy zbadać optymalizację strategii progowych w celu jednoczesnej ochrony przed pęknięciami i minimalizacji czasu cyklu dla szerszego zakresu materiałów utwardzonych oraz operacji.