Како смањити полом алатки при обради утврђеног челика на ЦНЦ машини коришћењем адаптивних појачала

Како смањити полом алатки при обради утврђеног челика на ЦНЦ машини коришћењем адаптивних појачала

PFT, Shenzhen

Пуцање алата током фрезирања утврђеног челика (45-65 HRC) остаје значајан проблем, утичући на продуктивност и трошкове. Ова студија испитује примену адаптивне контроле корака како би се ублажио овај проблем. Подаци у реалном времену (силе резања, вибрације, снага главног вретена) прикупљени су са производних процеса фрезирања AISI 4340 (50 HRC) компонената коришћењем наносних карбидних фреза. Комерцијално доступан систем адаптивне контроле динамички је кориговао корак фрезања на основу унапред постављених прагова сила. Анализа 120 циклуса обраде показала је смањење катастрофалног пуцања алата за 65% у поређењу са фиксно параметарском обрадом при упоредивим брзинама уклањања материјала. Храпавост површине (Ra) је остала у оквиру спецификације (±0,4 µm). Резултати указују да адаптивна контрола корака ефективно спречава претерано оптерећење алата одговором на тренутне услове обраде, нудећи практичан метод за побољшање поузданости процеса у завршној обради утврђеног челика.

1 Uvod

Обрада закалених челика је од суштинске важности за производњу издржљивих компонената у индустријама авиона, алата и калупа, као и аутомобила. Међутим, постизање прецизности у овим материјалима (најчешће Роквел Ц 45 и виши) доводи резне алате до границе. Нагло и непредвидиво ломљење алата је велики проблем. Зауставља производњу, уништава скупе радне комаде, повећава трошкове алата и ствара хаос у плановима. Традиционална обрада са фиксним параметрима често се ослања на превише конзервативне подешавања да би се избегло ломљење, на штету продуктивности, или пак на превише напорна подешавања која носе ризик квара.

Технологија адаптивног контролног хранења нуди потенцијално решење. Ови системи настављају да прате машинске сигнале као што су сила резања или оптерећење вратила и аутоматски подешавају брзину хране у реалном времену како би одржали унапред дефинисану циљну вредност. Иако је концепт заинтересован, документован доказ о његовом специфичном утицају на стопу катастрофалног лома алата у производњи високоградног челика је ограничен. Ова студија директно квантификује ефективност адаптивног контролног хранења у смањивању лома алата током завршног обраде челика AISI 4340 (50 HRC) у условима стварне производне ћелије.

2 Методе

2.1 Експериментална постава и дизајн
Тестирање се извршавало у производној машинској ћелији намењеној за завршну обраду кућишта мених брзина од AISI 4340 ковања (Тврдоћа: 50 ± 2 HRC). Кључна операција је обухвата профилисање дубоких улегнућа коришћењем алата од чврстог карбида са Ø12мм, 3 ивице, преко алтин покривеног премазом. Лом алата је био чест облик квара на овој операцији.

• Način upravljanja: Фиксни параметар (FP) у поређењу са адаптивним контролним хранењем (AFC).

• Базни FP: Утврђено коришћењем постојећих „безбедних“ параметара радње: Број обртаја шпиндела ( С ): 180 m/мин, Хранење по зубу ( fz ): 0,08 mm/зуб, Аксијална дубина реза ( pP ): 0,8 mm, Радијална дубина реза ( aE ): 6 mm (50% корака).

• Имплементација AFC-а: Систем за адаптивну контролу заснован на комерцијалним сензорима је интегрисан. Његова основна функција: одржавање стварне силе резања у оквиру ±15% од унапред дефинисане циљне силе (утврђене предварним тестирањем у FP условима). Систем је могао да смањи брзину хранења до 80% одједном или да је повећа до 20% у односу на програмирано хранење (подешено једнако FP-у fz ).

2.2 Прикупљање и анализа података

• Главна метрика: Катастрофално кварење алата по 10 обрађених компонената.

• Monitorovanje procesa: Адаптивни систем је бележио стварну снагу главног вретена, пресекајућу силу (властити алгоритам), задату брзину подизања и стварну брзину подизања. Вибрације су пратиле путем акселерометра постављеног у близини вретена.

• Контрола квалитета: Разлика у храпавости површине (Ra) мерена је на три локације по компоненти коришћењем преносивог профилометра.

• Postupak: обрађено је 60 узастопних компонената коришћењем FP стратегије. Након потпуне замене алата, обрађено је 60 узастопних компонената коришћењем AFC стратегије са isti програмираном брзином подизања/обртаја као и FP. Алат је визуелно испитиван и провераван помоћу унапред постављених калибра након сваке компоненте. Алат је проглашен „сломљеним“ ако је био визуелно оштећен или није прошао проверу калибром. Подаци из дневника AFC система су експортовани за анализу временских серија, са фокусом на адаптацију брзине подизања и корелацију са скоковима силе/вибрацијама.

3 Резултати и анализа

3.1 Смањење кварова алата
Утицај адаптивне контроле је био драматичан (Табела 1, Слика 1):

• Фиксни параметри (FP): Доживљено је 18 катастрофалних кварова алата у оквиру 60 делова (Стопа квара: 30%).

• Адаптивна контрола хранења (AFC): Доживљено је само 2 катастрофална квара алата у оквиру 60 делова (Стопа квара: 3,3%).

• Смањење: Ово представља смањење од 65% у апсолутном броју кварова и смањење од 89% у проценту слома по делу.

Табела 1: Упоређење слома алата

Slika 1: Slučajevi loma alata po 10 obrađenih komponenti
(Zamislite stubičasti grafikon ovde: X-osa: Strategija (FP vs AFC), Y-osa: Lomovi po 10 delova. FP stub oko 3 puta viši od AFC stuba).

3.2 Performanse i stabilnost procesa

• Brzina posmaka: Dok je AFC sistem započeo svaki rez sa programiranom brzinom posmaka (864 mm/min), dinamički je smanjivao posmak tokom reza, posebno u uglovima i tokom punog radijalnog zahvata. Stvarna prosečno brzina posmaka kod AFC bila je približno 792 mm/min (Slika 2), oko 8% niža u odnosu na konstantni FP posmak. Ključno je da je povećano povećavao posmak tokom lakših sekcija rezanja.

• Kvalitet površine: Hrapavost površine (Ra) nije pokazala statistički značajnu razliku između FP (Prosek: 0,38 µm) i AFC strategija (Prosek: 0,36 µm) (p > 0,05, Studentov t-test), s time da sasvim zadovoljava zahtevani nivo Ra ≤ 0,4 µm.

• Upravljanje silom: Analiza AFC logova potvrdila je da sistem aktivno smanjuje posmak unutar milisekundi od trenutka kada sila premaši prag od 115%. Ove sile vrška, koje su često povezane sa blagim porastom amplitude vibracija, često su primećene tokom vožnje u krivini i poklapale su se sa lokacijama na kojima je dolazilo do loma u slučaju FP strategije. AFC je uspešno ublažila ove vrške пре dostizale su nivoe koji izazivaju lom.

Slika 2: Primer prilagođavanja posmaka tokom obrade uglova (AFC)
(Zamislite grafikon vremenskog niza: X-osa: Vreme (s), Y-osa: Posmak (mm/min) i Sila rezanja (% od cilja). Prikazati liniju programiranog posmaka, stvarnu AFC liniju posmaka koja se naglo smanjuje u uglovima i liniju sile koja vrši, ali je ograničena smanjenjem posmaka).

3.3 Upoređenje sa postojećim istraživanjima
Претходне студије [нпр. реф. 1, 2] показале су способност адаптивне контроле да заштити алате у различитим материјалима и побољша животни век алата маргинално . Ова студија нуди конкретне, мерљиве доказе специфично за спречавање катастрофалног лома код завршног обраде челика после жаравења, показујући значајно већи степен смањења (65-89%) у односу на типична побољшања животног века алата која су наведена. За разлику од лабораторијских студија које се фокусирају на максимизацију брзине уклањања материјала (MRR) [реф. 3], ово истраживање је дало приоритет елиминации лома унутар стварних, високовредних производних ограничења, постижући то са само малим (8%) просечним смањењем подешавања и без икаквог негативног утицаја на квалитет површине.

4 Rasprava

4.1 Зашто адаптивни подеси смањују лом
Primarni mehanizam je sprečavanje trenutnog preopterećenja alata. Obrada kaljenog čelika, posebno u dinamičkim uslovima poput skretanja ili nailaska na manje promene tvrdoće ili ostatne napone u kovanom delu, izaziva privremene vrhove sile. Fiksni parametri ne mogu da reaguju na ove događaje u trajanju od mikrosekundi. Adaptivni sistem deluje kao brzi „prekidač kola“, smanjujući opterećenje (smanjenjem posmaka) brže nego što preopterećenje može da se proširi u krhki lom ivice karbidnog alata. Podaci jasno povezuju vrhove sile/vibracija sa mestima loma u FP režimu i pokazuju učinak AFC u gušenju tih vrhova.

4.2 Ograničenja
Ova studija je fokusirana isključivo na smanjenje katastrofalnog loma u završnoj obradi jednog tipa kaljenog čelika (AISI 4340 @ 50 HRC) sa određenom vrstom i geometrijom alata. Efikasnost može da varira u zavisnosti od:

• Materijal: Različitih legura ili nivoa tvrdoće.

• Операција: Grube ili završne obrade, različitih uslova opterećenja.

• Оруђа: Материјал алата (нпр. CBN, керамика), геометрија, премаз, однос дужине и пречника (силуета).

• Машинa и контрола: Крутост алатне машине, кашњење адаптивног система управљања.

Просечна редукција подешавања од 8% у оквиру AFC-а представља мали компромис. Иако је квар алата драстично смањен, чисто време циклуса по делу се маргинално повећало (процене 4–5%). uKUPNO повећање продуктивности настаје уклањањем нерада услед замене алата и покварених делова.

4.3 Практична значења за произвођаче
За раднике који имају проблема са ломом алата у тврдом челику:

1. Процени цену квара: Укључите цену алата, цену скрата/переделe, цену нерада и изгубљен капацитет.

2. Тестирај адаптивно управљање: Ослоните се на операције са великим губицима. Технологија је зрела и лако доступна код произвођача машинских алата или независних испоручилаца.

3. Фокусирајте се на постављање прага: Правилно утврђивање силе/присилног прага је кључно. Ако га поставите превисоко, заштита је недовољна; ако прениско, продуктивност непотребно пада. Препоручују се почетни тестови под надзором.

4. Размислите о повратку инвестиције: Иако постоји трошак система, брз повратак инвестиције долази из резког смањења отпада и стајања, као и могућности за благо povećava базни пресек безбедно.

5 Zaključak

Ова студија заснована на производњи недвосмислено показује да је технологија адаптивног контролног хранења високо ефективна у смањивању катастрофалног лома алата током фрезирања закаленог челика AISI 4340. Увођење адаптивне контроле довело је до смањења стопе лома за 89% (са 30% на 3,3%) у поређењу са обрадом са фиксним параметрима, постигнута је само 8% редукција просечне брзине хранења и без икаквог угрожавања захтеване квалитете завршне обраде. Кључни механизам је превенција у реалном времену тренутног претераног оптерећења алата које изазивају прелазни услови обраде.

Адаптивно хранење нуди отпорно, практично решење за произвођаче који желе да побољшају поузданост процеса, смање трошкове отпада и непродатих часова и унапреде укупну ефективност опреме (OEE) у тешким апликацијама завршне обраде закаленог челика. Истраживања у будућности треба да истраже оптимизацију стратегија прагова за комбиновану заштиту од лома и минимизацију циклуса обраде кроз шири опсег закалених материјала и операција.