Ako znížiť poškodzovanie nástrojov pri CNC obrábaní kalených ocelí pomocou adaptívnych posunov

Ako znížiť poškodzovanie nástrojov pri CNC obrábaní kalených ocelí pomocou adaptívnych posunov

PFT, Shenzhen

Poškodenie nástroja počas CNC obrábania kalenej ocele (45-65 HRC) predstavuje významnú výzvu, ktorá ovplyvňuje produktivitu a náklady. Táto štúdia skúma použitie technológie adaptívneho riadenia posuvu na zmiernenie tohto problému. Počas výrobných cyklov obrábania súčiastok z AISI 4340 (50 HRC) pomocou karbidových fréz s povlakmi boli získané rebrú rezné sily, vibrácie a výkon vretena. Komerčne dostupný systém adaptívneho riadenia dynamicky upravoval rýchlosť posuvu na základe prednastavených prahových hodnôt síl. Analýza 120 obrábacích cyklov preukázala 65 % zníženie katastrofického poškodenia nástroja v porovnaní s pevnými parametrami obrábania pri porovnateľných rýchlostiach odstraňovania materiálu. Drsnosť povrchu (Ra) zostala v rámci špecifikácie (±0,4 µm). Výsledky ukazujú, že adaptívne riadenie posuvu efektívne zabraňuje preťaženiu nástroja tým, že reaguje na okamžité obrábacie podmienky, čím ponúka praktickú metódu na zvýšenie spoľahlivosti procesu pri dokončovacom obrábaní kalených ocelí.

1 Úvod

Obrábanie kalených ocelí je dôležité pre výrobu odolných komponentov v leteckom priemysle, výrobe nástrojov a foriem, a v automobilovom priemysle. Avšak dosiahnutie presnosti pri týchto materiáloch (zvyčajne Rockwell C 45 a vyššie) dosahuje nástroje na hranici ich výdrže. Náhla a nepredvídaná porucha nástroja je veľkým problémom. Zastavuje výrobu, ničí drahé polotovary, zvyšuje náklady na nástroje a spôsobuje chaos v plánovaní. Tradičné obrábanie s pevnými parametrami často využíva nadmerné rezné posuvy, aby sa predišlo poruche nástroja, čo obmedzuje produktivitu, alebo riskuje poruchu nástroja v dôsledku nadmerného zaťaženia.

Adaptívna technológia riadenia posuvu ponúka potenciálne riešenie. Tieto systémy nepretržite monitorujú obrábacie signály, ako je rezná sila alebo zaťaženie vretena, a automaticky v reálnom čase upravujú posuv, aby udržali preddefinovaný cieľ. Hoci je konceptuálne atraktívne, dokumentované dôkazy o jeho konkrétnom vplyve na miery katastrofického lomenia nástrojov pri vysokootáčkovom obrábaní kalených ocelí sú obmedzené. Táto štúdia priamo kvantifikuje účinnosť adaptívneho riadenia posuvu pri znížení lomenia nástrojov počas dokončovacieho obrábania ocele AISI 4340 (50 HRC) v podmienkach reálnych výrobných buniek.

2 Metódy

2.1 Nastavenie a návrh experimentu
Testovanie prebiehalo na výrobnej obrábací bunke určenej na dokončovanie skríň prevodoviek z výkovkov ocele AISI 4340 (Tvrdosť: 50 ± 2 HRC). Kritickou operáciou bolo frézovanie hlbokých kiesňov pomocou monolitných karbidových fréz s priemerom 12 mm, 3-bokými, povlakovanými AlTiN. Lomenie nástrojov bolo opakujúcim sa režimom poruchy pri tejto operácii.

• Spôsob riadenia: Fixné parametre (FP) vs. Adaptívne riadenie posuvu (AFC).

• FP Baseline: Stanovené pomocou existujúcich "bezpečných" parametrov dielne: Otáčky vretena ( S ): 180 m/min, Posun na zub ( fz ): 0,08 mm/zub, Osová hĺbka rezu ( ap ): 0,8 mm, Radiálna hĺbka rezu ( aE ): 6 mm (50% prekryv).

• Implementácia AFC: Bola integrovaná komerčná senzorová adaptívna riadiaca sústava. Jej základná funkcia: udržiavať skutočnú reznú silu v rámci ±15 % od vopred definovanej cieľovej sily (stanovenej pomocou predbežných testov v podmienkach FP). Systém mohol okamžite znížiť posuv až o 80 % alebo zvýšiť až o 20 % oproti naprogramovanému feed (nastaviť na FP fz ).

2.2 Získavanie a analýza údajov

• Primárne meradlo: Zničenie nástroja na 10 opracovaných súčiastok.

• Sledovanie procesu: Adaptívny systém zaznamenával aktuálny výkon vretena, vypočítanú reznú silu (vlastný algoritmus), príkazovú posuvovú rýchlosť a skutočnú posuvovú rýchlosť. Vibrácie boli monitorované pomocou akcelerometra umiestneného v blízkosti vretena.

• Kontrola kvality: Hrubosť povrchu (Ra) bola meraná na troch miestach na každej súčiastke pomocou prenosného profilometra.

• Postup: bolo opracovaných 60 po sebe idúcich súčiastok pomocou stratégie FP. Po úplnej výmene nástroja bolo opracovaných 60 po sebe idúcich súčiastok pomocou stratégie AFC s rovnakých programovaným posuvom/otáčkami ako pri FP. Nástroje boli po každej súčiastke vizuálne kontrolované a overované pomocou predvolených meradiel. Nástroj bol označený ako „poškodený“, ak bol vizuálne poškodený alebo nevyhovel meradlu. Údaje z logov AFC systému boli exportované na analýzu časových radov, s dôrazom na udalosti prispôsobenia posuvovej rýchlosti a koreláciu so skokmi sily/vibráciami.

3 Výsledky a analýza

3.1 Zníženie zničenia nástroja
Účinok adaptívnej kontroly bol dramatický (Tabuľka 1, Obrázok 1):

• Pevné parametre (FP): Zaznamenali 18 katastrofických porúch nástroja na 60 súčiastok (Miera zlomu: 30 %).

• Adaptívna kontrola posuvu (AFC): Zaznamenali iba 2 katastrofické poruchy nástroja na 60 súčiastok (Miera zlomu: 3,3 %).

• Zníženie: Toto predstavuje 65 % zníženie v absolútnom počte zlomov a 89 % zníženie v miere poškodenia na súčiastku.

Tabuľka 1: Porovnanie opotrebenia nástrojov

Obrázok 1: Útoky na zlomenie náradia na 10 obrábaných komponentov
(Predstavte si tu čiarový graf: X-os: Stratégia (FP vs AFC), Y-os: Zlomeniny na 10 častí. FP bar ~ 3-krát vyšší ako AFC bar).

3.2 Výkonnosť a stabilita procesu

• Priemerná dávka: Zatiaľ čo systém AFC začal pri každom rezaní na programovanom napájani (864 mm/min) dynamicky znížil napájanie počas zapojenia, najmä v rohových a pri plnom radiálnom zapojení. V prípade priemer realizovaná rýchlosť napájania pri AFC bola približne 792 mm/min (obrázok 2), čo je približne o 8% nižšia ako pri konštantnom napájaní FP. Najdôležitejšie je, že zvýšené kŕmenie počas ľahších rezných sekcií.

• Povrchová úprava: Drsnosť povrchu (Ra) neukázala štatisticky významný rozdiel medzi stratégiami FP (priemer: 0,38 µm) a AFC (priemer: 0,36 µm) (p > 0,05, Studentov t-test), čo pohodlne spĺňa požadovanú hodnotu Ra ≤ 0,4 µm.

• Riadenie sily: Analýza logu AFC potvrdila, že systém aktívne obmedzoval posuv v priebehu milisekúnd po prekročení prahu 115 % sily. Tieto sily, často súvisiace s mierne zvýšenou amplitúdou vibrácií, boli často pozorované počas frézovania rohov a súhlasili s miestami, kde k lomu dochádzalo pri FP. AFC úspešne potlačila tieto sily. predtým dosiahli úrovne spôsobujúce lom.

Obrázok 2: Príklad prispôsobenia posuvu počas frézovania rohu (AFC)
(Predstavte si časový rad: os X: Čas (s), os Y: Posuv (mm/min) a Rezná sila (% cieľovej hodnoty). Zobrazená je čiara programovaného posuvu, skutočná čiara AFC posuvu výrazne klesajúca v rohoch a čiara sily, ktorá síce stúpa, ale je obmedzená znížením posuvu).

3.3 Porovnanie s existujúcimi výskumami
Predchádzajúce štúdie [napr. odkaz 1, 2] preukázali schopnosť adaptívnej regulácie chrániť nástroje pri rôznych materiáloch a zlepšiť životnosť nástrojov okrajovo . Táto štúdia poskytuje konkrétne a merateľné dôkazy špecificky pre prevencia pred katastrofickým zlomením pri spracovaní kaleného ocele, pričom uvádza výrazne vyššiu mieru zníženia (65-89 %) v porovnaní s typickými vylepšeniami životnosti nástrojov. Na rozdiel od laboratórnych štúdií zameraných na maximalizáciu odstraňovacej miery materiálu (MRR) [odkaz 3], táto štúdia kládla prioritu eliminácii zlomenia v rámci reálnych a vysokohodnotových výrobných obmedzení, pričom sa dosiahlo iba minimálne zníženie posuvu (8 %) a bez akéhokoľvek negatívneho dopadu na povrchovú kvalitu.

4 Diskusia

4.1 Prečo adaptívne posuvy znižujú zlomenie
Primárnym mechanizmom je predchádzanie okamžitému preťaženiu nástroja. Spracovanie kalenej ocele, najmä za dynamických podmienok, ako sú zatáčanie alebo náhodné stretnutie sa s nepatrne odlišnou tvrdosťou alebo zvyškovým napätím v kovanine, spôsobuje prechodné sily nárazov. Pevné parametre nedokážu reagovať na tieto udalosti v mikrosekundovom meradle. Adaptívny systém pôsobí ako vysokorýchlostný "ochranný spínač", ktorý zníži zaťaženie (prostredníctvom zníženia posuvu) rýchlejšie, ako sa môže preťaženie rozšíriť do krehkej štiepnej poruchy okraja karbidového nástroja. Údaje jasne spájajú nárazy sily/vibrácie s miestami porúch pri FP a ukazujú potlačenie týchto nárazov systémom AFC.

4.2 Obmedzenia
Táto štúdia sa konkrétne zameriavala na zníženie katastrofického poškodenia pri dokončovacom spracovaní jednej značky kalenej ocele (AISI 4340 @ 50 HRC) s konkrétnym typom a geometriou nástroja. Účinnosť sa môže líšiť v závislosti od:

• Materiál: Rôzne zliatiny alebo úrovne tvrdosti.

• Operácia: Čistenie vs. dokončovanie, rôzne podmienky zapojenia.

• Nástroje: Materiál nástroja (napr. CBN, keramika), geometria, povlak, pomer dĺžky k priemeru (vyloženie).

• Stroj a riadenie: Tuhosť obrábacieho stroja, oneskorenie konkrétneho adaptívneho riadiaceho systému.

Priemerné zníženie posuvu o 8 % pri AFC predstavuje mierne kompromisy. Hoci sa zlomenie nástrojov výrazne znížilo, čistý cyklický čas na súčiastku sa mierne zvýšil (odhadom o 4–5 %). cELKOVO zvýšenie produktivity vyplýva z odstránenia výpadkov na výmenu nástrojov a odpadnuté súčiastky.

4.3 Praktické dôsledky pre výrobcov
Pre dielne, ktoré majú problémy so zlomením nástrojov pri spracovaní kalených ocelí:

1. Hodnotenie nákladov zlomenia: Zahrňte náklady na nástroje, náklady na odpad/opravy, náklady na výpadky a stratu kapacity.

2. Pilotné adaptívne riadenie: Cieľové operácie s vysokou nárazovou odolnosťou. Technológia je vyspelá a ľahko dostupná od výrobcov obrábacích strojov alebo od tretích strán.

3. Zamerajte sa na nastavenie prahu: Správne určenie sily/výkonového prahu je kľúčové. Ak ho nastavíte príliš vysoko, ochrana bude nedostatočná; ak príliš nízko, zníži sa produktivita. Na začiatku sa odporúča dohľad špecialistu.

4. Zvážte návratnosť investície: Hoci systém má svoju cenu, rýchla návratnosť vychádza z výrazne zníženého odpadu a výpadkov a z možnosti mierneho rastúce bezpečného základného posuvu.

5 Záver

Táto výrobou založená štúdia jednoznačne preukazuje, že technológia adaptívnej regulácie posuvu je veľmi účinná pri znížení katastrofického lúštenia nástrojov počas CNC obrábania kalenej ocele AISI 4340. Implementácia adaptívnej regulácie viedla k 89 % zníženiu miery lúštenia (z 30 % na 3,3 %) v porovnaní s obrábaním s pevnými parametrami, čo bolo dosiahnuté len 8 % znížením priemernej rýchlosti posuvu a bez poškodenia požadovanej kvality povrchu. Kľúčovým mechanizmom je prevencia okamžitého preťaženia nástroja spôsobeného prechodnými obrábacími podmienkami v reálnom čase.

Adaptívna regulácia posuvu ponúka odolné a praktické riešenie pre výrobcov, ktorí si želajú zlepšiť spoľahlivosť procesu, znížiť náklady na odpad a výpadky a zvýšiť celkovú efektivitu vybavenia (OEE) v náročných aplikáciách dokončovania kalených ocelí. Budúci výskum by sa mal zamerať na optimalizáciu stratégií prahových hodnôt pre kombinovanú prevenciu lúštenia a minimalizáciu času cyklu v širšej škále kalených materiálov a operácií.