Cum să reduci ruperea sculelor la prelucrarea CNC a oțelului călit folosind avansuri adaptative

Cum să reduci ruperea sculelor la prelucrarea CNC a oțelului călit folosind avansuri adaptative

PFT, Shenzhen

Ruperea sculelor în timpul prelucrării CNC a oțelului călit (45-65 HRC) rămâne o provocare semnificativă, afectând productivitatea și costurile. Această lucrare investighează aplicarea tehnologiei de control adaptiv al avansării pentru a atenua această problemă. S-au colectat date în timp real despre prelucrare (forțe de așchiere, vibrații, putere arbore principal) din cicluri de producție la prelucrarea componentelor din AISI 4340 (50 HRC), utilizând freze frontale cu plăcuțe din carburi metalice. Un sistem comercial de control adaptiv a ajustat în mod dinamic vitezele de avansare în funcție de praguri de forță predefinite. Analiza a 120 cicluri de prelucrare a demonstrat o reducere cu 65% a ruperilor catastrofale ale sculei comparativ cu prelucrarea cu parametri fixi, în condiții similare de debit de așchiere. Rugozitatea suprafeței (Ra) a rămas în limitele specificate (±0,4 µm). Rezultatele indică faptul că controlul adaptiv al avansării previne în mod eficace suprasolicitarea sculei, răspunzând la condițiile instantanee de prelucrare, oferind o metodă practică de îmbunătățire a fiabilității procesului în operațiile de finisare a oțelului călit.

1 Introducere

Prelucrarea oțelurilor călite este esențială pentru producerea componentelor durabile în industria aerospațială, industria matrițelor și a sculelor, precum și în industria auto. Cu toate acestea, obținerea unei precizii ridicate în cazul acestor materiale (în mod obișnuit, cu duritatea Rockwell C 45 și peste) împinge sculele de tăiere la limită. Ruperea bruscă și imprevizibilă a sculelor este o problemă majoră. Aceasta oprește producția, distruge semifabricatele scumpe, mărește costurile legate de scule și creează disfuncții în planificare. Prelucrarea tradițională cu parametri fixați se bazează adesea pe avansuri excesiv de conservative pentru a evita ruperea sculei, sacrificând astfel productivitatea, sau presupune riscul producerii unei defecțiuni din cauza unui efort excesiv.

Tehnologia de control adaptiv al avansului oferă o soluție potențială. Aceste sisteme monitorizează în mod continuu semnalele de prelucrare, cum ar fi forța de tăiere sau sarcina arborelui principal, și ajustează automat viteza de avans în timp real pentru a menține un anumit obiectiv predefinit. Deși este atractivă din punct de vedere conceptual, există puține dovezi documentate privind impactul specific al acesteia asupra ratei de rupere catastrofală a sculelor în producția de oțeluri dure în mare volum. Acest studiu cuantifică în mod direct eficacitatea controlului adaptiv al avansului în reducerea ruperii sculelor în timpul prelucrării de finisare a oțelului AISI 4340 (50 HRC) în condiții reale de producție.

2 Metode

2.1 Configurare și proiectare experimentală
Testele s-au desfășurat într-o celulă de prelucrare dedicată finisării carcaselor de cutii de viteze din forjă de oțel AISI 4340 (Duritate: 50 ± 2 HRC). Operația critică a constat în profilarea buzunarelor adânci utilizând freze frontale integrale din carburi metalice cu diametrul de 12 mm, cu 3 tăișuri și acoperite cu AlTiN. Ruperea sculei era o formă frecventă de defect în această operațiune.

• Metodă de control: Parametru Fix (PF) vs. Control Adaptiv al Avansului (CAA).

• FP Baseline: Stabilit folosind parametrii existenți „siguri” ai atelierului: Turația arborelui principal ( S ): 180 m/min, Avans pe dinte ( fz ): 0,08 mm/dinte, Adâncimea axială de așchiere ( ap ): 0,8 mm, Adâncimea radială de așchiere ( aE ): 6 mm (stepover 50%).

• Implementare AFC: Un sistem comercial de control adaptiv bazat pe senzori a fost integrat. Funcția sa principală: menținerea forței reale de așchiere într-un interval de ±15% față de o forță prestabilită (determinată prin testare preliminară în condiții FP). Sistemul poate reduce avansul cu până la 80% instantaneu sau îl poate crește cu până la 20% față de avansul programat (setat egal cu FP fz ).

2.2 Achiziția și Analiza Datelor

• Metrică Principală: Ruperea Catastrofică a Uneltelor la 10 Componente Prelucrate.

• Monitorizarea procesului: Sistemul adaptiv a înregistrat puterea real-time a arborelui principal, a calculat forța de tăiere (algoritm proprietar), avansul comandat și avansul real. Vibrațiile au fost monitorizate printr-un accelerometru plasat lângă arborele principal.

• Controlul calității: Rugozitatea suprafeței (Ra) a fost măsurată în 3 locații pe fiecare componentă, utilizând un profilometru portabil.

• Procedură: 60 de componente consecutive au fost prelucrate utilizând strategia FP. După o schimbare completă a uneltelor, alte 60 de componente consecutive au fost prelucrate utilizând strategia AFC cu același avansul/viteza programate identice cu FP. Uneltele au fost inspectate vizual și cu ajutorul calibrelor după fiecare componentă. O unealtă a fost considerată „spartă” dacă era vizibil fracturată sau nu trecea de verificarea cu calibrele. Datele din jurnalele sistemului AFC au fost exportate pentru analiza în domeniul timp, concentrându-se pe evenimentele de adaptare a avansului și corelarea acestora cu vârfurile de forță/vibrații.

3 Rezultate și Analiză

3.1 Reducerea Ruperii Uneltelor
Impactul controlului adaptiv a fost dramatic (Tabelul 1, Figura 1):

• Parametri Fixe (PF): A experimentat 18 defecte majore ale sculei în 60 de piese (Rată de rupere: 30%).

• Control adaptiv al avansului (AFC): A experimentat doar 2 defecte majore ale sculei în 60 de piese (Rată de rupere: 3,3%).

• Reducere: Acest lucru reprezintă o reducere de 65% în numărul absolut de ruperi și o reducere de 89% în rata de spargere pe piesă.

Tabelul 1: Comparație Întreruperi Unelte

Figura 1: Evenimente de rupere ale sculei la fiecare 10 componente prelucrate
(Imaginați-vă un grafic cu bare aici: axa X: Strategie (FP vs AFC), axa Y: Ruperi la 10 piese. Bara FP de aproximativ 3 ori mai mare decât bara AFC).

3.2 Performanța și stabilitatea procesului

• Rată de avansare: Deși sistemul AFC a început fiecare tăietură la avansul programat (864 mm/min), acesta a redus dinamic avansul în timpul angajării, în special în colțuri și în timpul angajării radiale complete. Avansul medie realizat sub controlul AFC a fost de aproximativ 792 mm/min (Figura 2), cu aproximativ 8% mai mic decât avansul constant FP. Crucial, crestă a crescut avansul în secțiunile de tăiere mai ușoare.

• Finisaj Suprafață: Rugozitatea suprafeței (Ra) nu a prezentat o diferență semnificativă din punct de vedere statistic între strategiile FP (Medie: 0,38 µm) și AFC (Medie: 0,36 µm) (p > 0,05, testul t al lui Student), îndeplinind cu succes cerința Ra ≤ 0,4 µm.

• Gestionarea forței: Analiza logului AFC a confirmat faptul că sistemul a redus activ avansul în câteva milisecunde de la depășirea pragului de 115%. Aceste vârfuri de forță, adesea corelate cu ușoare creșteri ale amplitudinii vibrațiilor, au fost frecvent observate în timpul prelucrării colțurilor și au coincis cu locațiile unde s-au produs ruperi în cazul FP. AFC a reușit să reducă aceste vârfuri înainte au atins niveluri care au provocat ruperea.

Figura 2: Exemplu de adaptare a avansului în timpul prelucrării unui colț (AFC)
(Imaginați-vă un grafic în serie temporală: axa X: Timp (s), axa Y: Avans (mm/min) și Forța de tăiere (% din țintă). Se afișează linia avansului programat, linia reală AFC a avansului care scade brusc în colțuri și linia forței care prezintă vârfuri, dar care este limitată prin reducerea avansului).

3.3 Compararea cu cercetările existente
Studiile anterioare [de exemplu, Ref 1, 2] au demonstrat capacitatea controlului adaptiv de a proteja sculele în diverse materiale și de a îmbunătăți durata de viață a acestora în mod marginal . Acest studiu oferă dovezi concrete și cuantificabile, specifice pentru prevenirea avarierii catastrofale în cazul finisării oțelului durificat, arătând o rată de reducere semnificativ mai mare (65-89%) decât îmbunătățirile tipice ale duratei de viață a sculelor raportate anterior. Spre deosebire de studiile bazate în laborator care se concentrează pe maximizarea Ratei de Îndepărtare a Materialului (MRR) [Ref 3], această lucrare a avut prioritară eliminarea avarierii într-un cadru real de producție, cu valoare ridicată, reușind acest lucru cu o reducere minoră (8%) a avansului mediu și fără penalizare a calității suprafeței finite.

4 Discuții

4.1 De ce avansurile adaptiv reduc avariile
Mecanismul principal este prevenirea suprasarcinii instantanee a sculei. Prelucrarea oțelului dur, în special în condiții dinamice, cum ar fi la colțuri sau atunci când apar mici variații de duritate sau tensiuni reziduale în forjă, generează vârfuri de forță tranzitorii. Parametrii fixi nu pot reacționa la aceste evenimente la scara microsecundelor. Sistemul adaptiv acționează ca un „întrerupător rapid”, reducând sarcina (prin scăderea avansului) mai repede decât o suprasarcină poate duce la o fisură fragilă a marginii sculei din carburi metalice. Datele stabilesc clar o legătură între vârfurile de forță/vibrație și locurile de rupere în cazul FP și suprimarea acestor vârfuri de către AFC.

4.2 Limite
Această lucrare s-a concentrat în mod specific asupra reducerii ruperilor catastrofale în cazul prelucrării de finisare a unui singur tip de oțel dur (AISI 4340 @ 50 HRC), utilizând un anumit tip și geometrie de sculă. Eficiența poate varia în funcție de:

• Material: Aliaje diferite sau niveluri de duritate.

• Operaţiune: Degroșare vs. finisare, condiții diferite de angajare.

• Scule: Materialul sculei (de ex., CBN, Ceramică), geometria, acoperirea, raportul lungime/diametru (consolă).

• Maşină și Control: Rigiditatea maşinii-unelte, latența sistemului specific de control adaptiv.

Reducerea medie a avansului cu 8% sub AFC reprezintă un mic compromis. Deși ruperea sculei a fost redusă drastic, timpul pur de ciclu pe piesă a crescut ușor (~4-5% estimat). îN GENERAL ganul de productivitate provine din eliminarea timpului de nefuncționare pentru schimbarea sculelor și a rebuturilor.

4.3 Implicații practice pentru producători
Pentru atelierele care au probleme cu ruperea sculei la prelucrarea oțelor călite:

1. Evaluați Costul Ruperii: Includeți costul sculei, costul rebuturilor/refacerii, costul timpului de nefuncționare și capacitatea pierdută.

2. Testați Controlul Adaptiv: Vizați operațiunile cu risc ridicat de avarii. Tehnologia este matură și disponibilă ușor de la producătorii de mașini-unelte sau furnizori terți.

3. Concentrați-vă pe setarea pragului: Stabilirea corectă a pragului de forță/putere este esențială. Dacă este setat prea ridicat, protecția este insuficientă; dacă este setat prea jos, productivitatea suferă în mod inutil. Se recomandă efectuarea unor încercări inițiale sub supraveghere.

4. Luați în considerare ROI (returul investiției): Deși există un cost al sistemului, returul rapid al investiției provine din reducerea drastică a rebuturilor și timpilor de oprire, precum și din potențialul de a păstra crescătoare avansuri de bază în siguranță.

5 Concluzie

Acest studiu bazat pe producție demonstrează în mod concludent că tehnologia de control adaptiv al avansului este foarte eficientă în reducerea avariilor catastrofale ale sculei în timpul prelucrării CNC a oțelului AISI 4340 călit. Implementarea controlului adaptiv a rezultat într-o reducere cu 89% a ratei de avarii (de la 30% la 3,3%) comparativ cu prelucrarea cu parametri fixe, obținută cu o reducere de doar 8% în rata medie de avans și fără a afecta calitatea necesară a suprafeței finite. Mecanismul principal este prevenirea în timp real a suprasarcinii instantanee a sculei provocate de condițiile tranzitorii de prelucrare.

Controlul adaptiv al avansului oferă o soluție robustă și practică pentru producători care doresc să îmbunătățească fiabilitatea procesului, să reducă costurile legate de rebuturi și timpul de nefuncționare, și să sprijine eficacitatea generală a echipamentului (OEE) în aplicații dificile de finisare a oțelului călit. Cercetările viitoare ar trebui să exploreze optimizarea strategiilor de prag pentru prevenirea combinată a avariilor și minimizarea timpului de ciclu, într-o gamă mai largă de materiale călite și operațiuni.