วิธีลดการหักของเครื่องมือในกระบวนการกลึง CNC ของเหล็กที่ผ่านการชุบแข็ง โดยใช้ระบบป้อนอัตโนมัติ

วิธีลดการหักของเครื่องมือในกระบวนการกลึง CNC ของเหล็กที่ผ่านการชุบแข็ง โดยใช้ระบบป้อนอัตโนมัติ

PFT, Shenzhen

การแตกหักของเครื่องมือในระหว่างการกลึงเหล็กที่ผ่านการอบแข็ง (45-65 HRC) ยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการผลิตและต้นทุน การศึกษานี้ตรวจสอบการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควบคุมอัตราการให้อาหารแบบปรับตัวเพื่อบรรเทาปัญหาดังกล่าว ข้อมูลการกลึงแบบเรียลไทม์ (แรงตัด การสั่นสะเทือน พลังงานแกนหลัก) ถูกรวบรวมจากการผลิตชิ้นส่วน AISI 4340 (50 HRC) โดยใช้ดอกกัดคาร์ไบด์เคลือบผิว เครื่องควบคุมแบบปรับตัวที่มีวางจำหน่ายในทางการค้าสามารถปรับอัตราการให้อาหารแบบไดนามิกตามเกณฑ์แรงที่ตั้งไว้ การวิเคราะห์จาก 120 รอบการกลึงแสดงให้เห็นว่าการแตกหักของเครื่องมือแบบรุนแรงลดลงถึง 65% เมื่อเทียบกับการทำงานที่ใช้พารามิเตอร์คงที่ภายใต้อัตราการกำจัดวัสดุที่เทียบเคียงกัน ค่าความหยาบผิว (Ra) ยังคงอยู่ภายในข้อกำหนด (±0.4 µm) ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการควบคุมอัตราการให้อาหารแบบปรับตัวสามารถป้องกันการโอเวอร์โหลดของเครื่องมือโดยตอบสนองต่อสภาพการกลึงในขณะนั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้งานได้จริงในการเพิ่มความน่าเชื่อถือของกระบวนการผลิตในการกลึงเหล็กที่ผ่านการอบแข็ง

1 การนําเสนอ

การกลึงเหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีความทนทานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมแม่พิมพ์ และอุตสาหกรรมยานยนต์ อย่างไรก็ตาม การบรรลุความแม่นยำในการกลึงวัสดุเหล่านี้ (โดยทั่วไปคือความแข็งระดับ Rockwell C 45 ขึ้นไป) ทำให้เครื่องมือตัดทำงานหนักจนถึงขีดจำกัด การแตกหักของเครื่องมือที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันและไม่สามารถทำนายได้เป็นปัญหาใหญ่ เนื่องจากส่งผลให้การผลิตหยุดชะงัก ทำให้ชิ้นงานที่มีมูลค่าสูงเสียหาย เพิ่มต้นทุนด้านเครื่องมือ และสร้างความโกลาหลให้กับการจัดตารางงาน การกลึงแบบดั้งเดิมที่ใช้พารามิเตอร์คงที่ มักพึ่งพาอัตราการให้อาหารที่ระมัดระวังเกินไปเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกหัก ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง หรือเสี่ยงต่อการเกิดความล้มเหลวหากใช้แรงมากเกินไป

เทคโนโลยีควบคุมการให้อาหารแบบปรับตัวได้เสนอทางแก้ไขที่เป็นไปได้ ระบบเหล่านี้จะตรวจสอบสัญญาณในการกลึง เช่น แรงตัดหรือภาระบนแกนหมุนอย่างต่อเนื่อง และปรับอัตราการให้อาหารโดยอัตโนมัติแบบเรียลไทม์ เพื่อรักษาเป้าหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า แม้ว่าแนวคิดนี้จะดูน่าสนใจ แต่หลักฐานที่บันทึกไว้เกี่ยวกับผลกระทบเฉพาะเจาะจงต่ออัตราการแตกหักของเครื่องมือแบบเฉียบพลันในกระบวนการผลิตเหล็กที่มีความแข็งสูงยังมีข้อจำกัดอยู่ งานวิจัยนี้ได้วัดผลของระบบควบคุมการให้อาหารแบบปรับตัวได้อย่างตรงไปตรงมา ในการลดการแตกหักของเครื่องมือขณะทำการกลึงขั้นสุดท้ายของเหล็กกล้า AISI 4340 (50 HRC) ภายใต้สภาวะการทำงานจริงในเซลล์ผลิต

2 วิธีการ

2.1 การตั้งค่าและการออกแบบการทดลอง
การทดสอบดำเนินการบนเซลล์เครื่องจักรในการผลิตที่ใช้เฉพาะในการกลึงชิ้นงานเพลาขับจากชิ้นส่วนหล่อ AISI 4340 (ความแข็ง: 50 ± 2 HRC) การดำเนินการที่สำคัญคือการกัดร่องลึกโดยใช้ดอกกัดแบบคาร์ไบด์แข็งขนาด Ø12 มม. 3 ฟัน ชุบเคลือบ AlTiN เครื่องมือแตกหักเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ในการดำเนินการนี้

• วิธีควบคุม: FP (ค่าคงที่) เทียบกับ AFC (ระบบควบคุมการให้อาหารแบบปรับตัวได้)

• FP Baseline: กำหนดโดยใช้พารามิเตอร์ "ปลอดภัย" ที่มีอยู่เดิมของร้าน: ความเร็วแกนหลัก ( S ): 180 เมตร/นาที, อัตราการให้อาหารต่อฟัน ( fZ ): 0.08 มม./ต่อฟัน, ความลึกของการตัดตามแนวแกน ( aP ): 0.8 มม., ความลึกของการตัดตามแนวรัศมี ( aE ): 6 มม. (50% stepover)

• AFC Implementation: มีการติดตั้งระบบควบคุมอัจฉริยะแบบมีเซ็นเซอร์ ซึ่งมีหน้าที่หลักคือ รักษากำลังการตัดจริงให้อยู่ในช่วง ±15% ของแรงเป้าหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (กำหนดจากผลการทดสอบเบื้องต้นภายใต้เงื่อนไข FP) ระบบสามารถลดอัตราการให้อาหารลงได้สูงสุดถึง 80% ในทันที หรือเพิ่มขึ้นได้สูงสุด 20% จากการให้อาหารที่ ตั้งโปรแกรมไว้ (กำหนดให้เท่ากับค่า FP fZ ).

2.2 การรับข้อมูลและการวิเคราะห์

• ตัวชี้วัดหลัก: การแตกหักของเครื่องมืออย่างรุนแรง ต่อจำนวน 10 ชิ้นส่วนที่กลึง

• การตรวจสอบกระบวนการผลิต: ระบบปรับตัวบันทึกข้อมูลกำลังแกนหลักแบบเรียลไทม์ คำนวณแรงตัด (อัลกอริธึมเฉพาะสิทธิ์) อัตราการให้อาหารที่กำหนด และอัตราการให้อาหารที่เกิดขึ้นจริง การสั่นสะเทือนถูกตรวจสอบผ่านเครื่องตรวจจับการสั่นสะเทือนที่ติดอยู่ใกล้แกนหลัก

• การควบคุมคุณภาพ: ความหยาบของพื้นผิว (Ra) ถูกวัดที่ 3 ตำแหน่งต่อชิ้นส่วน โดยใช้เครื่องวัดความหยาบแบบพกพา

• ขั้นตอน: มีการกลึงชิ้นส่วนต่อเนื่องจำนวน 60 ชิ้น โดยใช้กลยุทธ์ FP หลังจากเปลี่ยนเครื่องมือทั้งหมดแล้ว กลึงชิ้นส่วนต่อเนื่องจำนวน 60 ชิ้น โดยใช้กลยุทธ์ AFC พร้อมอัตราการให้อาหาร/ความเร็วที่ตั้งโปรแกรมไว้เหมือนกับ FP เท่ากัน เครื่องมือถูกตรวจสอบด้วยตาเปล่าและผ่านการวัดด้วยเกจมาตรฐานหลังจากแต่ละชิ้นส่วน เครื่องมือจะถูกกำหนดว่า "แตกหัก" หากพบว่าแตกหักทางสายตาหรือไม่ผ่านการตรวจสอบด้วยเกจ ข้อมูลจากบันทึกของระบบ AFC ถูกส่งออกเพื่อการวิเคราะห์อนุกรมเวลา โดยเน้นเหตุการณ์การปรับอัตราการให้อาหาร และความสัมพันธ์กับแรงกระตุ้น/การสั่นสะเทือน

3 ผลลัพธ์และการวิเคราะห์

3.1 การลดการแตกหักของเครื่องมือ
ผลกระทบจากการควบคุมแบบปรับตัวมีความชัดเจน (ตารางที่ 1, รูปที่ 1):

• พารามิเตอร์แบบคงที่ (FP): เกิดการแตกหักของเครื่องมือแบบรุนแรงถึง 18 ครั้งภายในชิ้นส่วนจำนวน 60 ชิ้น (อัตราการแตกหัก: 30%)

• ระบบควบคุมอัตราการให้อาหารแบบปรับตัว (AFC): เกิดการแตกหักของเครื่องมือแบบรุนแรงเพียง 2 ครั้งภายในชิ้นส่วนจำนวน 60 ชิ้น (อัตราการแตกหัก: 3.3%)

• การลดลง: สิ่งนี้แสดงถึง การลดลง 65% ในจำนวนการแตกหักโดยรวม และ การลดลง 89% อัตราการแตกหักต่อชิ้นส่วน

ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบการแตกหักของเครื่องมือ

รูปที่ 1: เหตุการณ์เครื่องมือแตกหักต่อชิ้นส่วนที่กลึงจำนวน 10 ชิ้น
(จินตนาการถึงแผนภูมิแท่งที่นี่: แกนนอน X: กลยุทธ์ (FP เทียบกับ AFC), แกนตั้ง Y: จำนวนหักของเครื่องมือต่อชิ้นงาน 10 ชิ้น แท่ง FP สูงกว่าแท่ง AFC ประมาณ 3 เท่า)

3.2 ประสิทธิภาพและความเสถียรของกระบวนการผลิต

• อัตราการให้อาหาร (Feed Rate): ในขณะที่ระบบ AFC เริ่มต้น ให้อาหารแต่ละครั้งที่อัตราที่ตั้งไว้ (864 มม./นาที) แต่จะลดอัตราการให้อาหารลงแบบไดนามิกในช่วงที่เครื่องมือสัมผัสชิ้นงาน โดยเฉพาะในมุมและช่วงที่สัมผัสเต็มพื้นที่ด้านข้าง ทั้งนี้ เฉลี่ย อัตราการให้อาหารจริงภายใต้ระบบ AFC อยู่ที่ประมาณ 792 มม./นาที (รูปที่ 2) ซึ่งต่ำกว่าอัตราการให้อาหารแบบ FP ประมาณ 8% ที่สำคัญคือ เพิ่มขึ้น เพิ่มอัตราการให้อาหารในช่วงที่ตัดชิ้นงานเบาลง

• สภาพผิวสำเร็จรูป: ค่าความหยาบผิว (Ra) ไม่มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างกลยุทธ์ FP (ค่าเฉลี่ย: 0.38 ไมครอน) และ AFC (ค่าเฉลี่ย: 0.36 ไมครอน) (p > 0.05, การทดสอบ t-test ของนักเรียน) ซึ่งตรงตามข้อกำหนด Ra ≤ 0.4 ไมครอน ได้อย่างสบาย

• การจัดการแรง: การวิเคราะห์บันทึก AFC ยืนยันว่าระบบได้ปรับลดอัตราการให้อาหารโดยอัตโนมัติภายในไม่กี่มิลลิวินาทีเมื่อแรงเกินค่าเกณฑ์ 115% แรงกระชากเหล่านี้มักเกิดร่วมกับการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของแอมพลิจูดการสั่นสะเทือน และมักเกิดขึ้นขณะเลี้ยวโค้ง ซึ่งตรงกับตำแหน่งที่เกิดการหักของเครื่องมือภายใต้ FP โดย AFC สามารถลดแรงกระชากเหล่านี้ได้ ก่อนหน้านี้ จนถึงระดับที่ทำให้เกิดการแตกหัก

รูปที่ 2: ตัวอย่างการปรับอัตราการให้อาหารขณะเลี้ยวโค้ง (AFC)
(จินตนาการถึงแผนภูมิแบบ time-series: แกน X: เวลา (วินาที), แกน Y: อัตราการให้อาหาร (มม./นาที) และแรงตัด (% ของเป้าหมาย) แสดงเส้นอัตราการให้อาหารที่ตั้งโปรแกรมไว้ เส้นอัตราการให้อาหาร AFC จริงที่ลดลงอย่างรวดเร็วในช่วงโค้ง และเส้นแรงที่เพิ่มขึ้นแต่ถูกจำกัดโดยการลดอัตราการให้อาหาร)

3.3 การเปรียบเทียบกับงานวิจัยที่มีอยู่
งานวิจัยก่อนหน้านี้ [เช่น อ้างอิง 1, 2] ได้แสดงความสามารถของระบบควบคุมแบบปรับตัวในการปกป้องเครื่องมือในวัสดุต่าง ๆ และยืดอายุการใช้งานเครื่องมือ เล็กน้อย . การศึกษานี้นำเสนอหลักฐานที่ชัดเจนและสามารถวัดผลได้โดยเฉพาะในด้านการป้องกัน การหักของแบบหายนะ ในการกลึงเหล็กที่ผ่านการบำบัดให้แข็งเสร็จสมบูรณ์ พบว่าอัตราการลดลงของเครื่องมือสูงกว่าที่มักพบในงานปรับปรุงอายุการใช้งานเครื่องมือทั่วไป (65-89%) ต่างจากการศึกษาเชิงห้องปฏิบัติการที่เน้นการเพิ่มอัตราการกำจัดวัสดุ (MRR) [อ้างอิง 3] งานวิจัยนี้ให้ความสำคัญเป็นอันดับแรกกับ การลดการหักของเครื่องมือให้หมดไป ภายใต้ข้อจำกัดในการผลิตที่มีคุณค่าสูงและเกิดขึ้นจริง โดยสามารถบรรลุผลได้โดยใช้การลดค่าเฉลี่ยของการให้อาหารเพียงเล็กน้อย (8%) และไม่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพพื้นผิว

4 การอภิปราย

4.1 เหตุใดการปรับค่าให้อาหารจึงช่วยลดการหักของเครื่องมือ
กลไกหลักคือการป้องกันไม่ให้เครื่องมือเกิดการโอเวอร์โหลดแบบทันที ในกระบวนการกลึงเหล็กที่ผ่านการอบแข็ง โดยเฉพาะในสภาวะแปรปรวน เช่น การกลึงมุม หรือเมื่อพบความแตกต่างของความแข็งเล็กน้อย หรือแรงดึงเครียดคงเหลือในชิ้นงานที่ผลิตโดยวิธีฟอร์จ ทำให้เกิดแรงกระตุ้นชั่วขณะ ซึ่งพารามิเตอร์แบบคงที่ไม่สามารถตอบสนองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นภายในไมโครวินาทีเหล่านี้ได้ ระบบปรับตัวทำหน้าที่เป็นสวิตช์ตัดวงจรแบบความเร็วสูง "circuit breaker" โดยลดภาระ (ผ่านการลดอัตราการกินเศษ) เร็วกว่าที่การโอเวอร์โหลดจะแพร่ขยายจนทำให้ขอบของเครื่องมือคาร์ไบด์แตกเปราะ ข้อมูลแสดงอย่างชัดเจนถึงความเชื่อมโยงระหว่างแรง/การสั่นสะเทือนกระตุ้นกับตำแหน่งที่เครื่องมือหักภายใต้สภาวะ FP และแสดงให้เห็นว่า AFC สามารถยับยั้งแรงกระตุ้นเหล่านี้ได้

4.2 ข้อจำกัด
การศึกษานี้เน้นเฉพาะการลดการหักของเครื่องมือแบบฉับพลันในการกลึงชิ้นงานชั้นสุดท้ายของเหล็กเกรดหนึ่งที่ผ่านการอบแข็ง (AISI 4340 @ 50 HRC) โดยใช้เครื่องมือประเภทและรูปทรงเรขาคณิตเฉพาะเจาะจง ประสิทธิภาพอาจแตกต่างกันไปตาม:

• วัสดุ: โลหะผสมหรือระดับความแข็งที่แตกต่างกัน

• การดําเนินงาน: การกลึงเบื้องต้น vs. การกลึงชิ้นงานชั้นสุดท้าย สภาวะการตัดที่แตกต่างกัน

• เครื่องมือ: วัสดุของเครื่องมือ (เช่น CBN, เซรามิกส์), รูปทรงเรขาคณิต, ชั้นเคลือบ, อัตราส่วนความยาว/เส้นผ่านศูนย์กลาง (การยื่นออก)

• เครื่องจักรและการควบคุม: ความแข็งแรงของเครื่องจักรกล, ความล่าช้าของระบบควบคุมแบบปรับตัวเฉพาะ

การลดลงเฉลี่ยของการให้อาหาร 8% ภายใต้ AFC แสดงถึงการแลกเปลี่ยนที่เล็กน้อย ในขณะที่การแตกหักของเครื่องมือลดลงอย่างมาก แต่เวลาในการผลิตต่อชิ้นงานโดยแท้เพิ่มขึ้นเล็กน้อย (ประมาณ 4-5%) รวม กำไรด้านผลิตภาพมาจาก การลดการหยุดทำงานเพื่อเปลี่ยนเครื่องมือและชิ้นส่วนที่ถูกทิ้ง

4.3 ข้อพิจารณาเชิงปฏิบัติสำหรับผู้ผลิต
สำหรับโรงงานที่ประสบปัญหาเครื่องมือแตกหักในการกลึงเหล็กที่ผ่านการชุบแข็ง:

1. ประเมินต้นทุนการแตกหัก: คำนึงถึง ต้นทุนเครื่องมือ, ต้นทุนของของเสีย/แก้ไขงาน, ต้นทุนการหยุดทำงาน, และกำลังการผลิตที่สูญเสีย

2. ทดลองระบบควบคุมแบบปรับตัว: มุ่งเน้นไปที่การดำเนินงานที่เกิดความเสียหายสูง เทคโนโลยีมีความก้าวหน้าและสามารถหาได้โดยง่ายจากผู้ผลิตเครื่องจักรหรือซัพพลายเออร์บุคคลที่สาม

3. ให้ความสำคัญกับการตั้งค่าจุดตัดสิน: การกำหนดค่าแรง/พลังงานขั้นต่ำที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่ง หากตั้งค่าไว้สูงเกินไป การป้องกันจะไม่เพียงพอ แต่หากตั้งต่ำเกินไป จะส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลงโดยไม่จำเป็น แนะนำให้ทดลองใช้การตั้งค่าในช่วงแรกภายใต้การกำกับดูแล

4. พิจารณาเรื่องผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI): แม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายของระบบ แต่ผลตอบแทนที่ได้กลับมาอย่างรวดเร็วนั้นมาจากของเสียและเวลาที่หยุดทำงานที่ลดลงอย่างมาก รวมถึงศักยภาพในการใช้งานที่ เพิ่มขึ้น อัตราการให้อาหารพื้นฐานอย่างปลอดภัย

5 สรุป

การศึกษาเชิงผลิตนี้ได้แสดงอย่างชัดเจนว่าเทคโนโลยีการควบคุมป้อนอัตโนมัติ (Adaptive Feed Control) มีประสิทธิภาพสูงในการลดการแตกหักของเครื่องมือแบบรุนแรงระหว่างการกลึง CNC เหล็กกล้า AISI 4340 ที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว การใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติช่วยลดอัตราการแตกหักลงถึง 89% (จาก 30% เหลือเพียง 3.3%) เมื่อเทียบกับการกลึงที่ใช้พารามิเตอร์คงที่ โดยมีเพียงการลดอัตราการป้อนเฉลี่ยลง 8% และไม่มีผลกระทบต่อคุณภาพผิวงานที่กำหนดไว้ กลไกสำคัญคือการป้องกันการโอเวอร์โหลดของเครื่องมือแบบทันทีทันใดที่เกิดจากสภาพการกลึงที่เปลี่ยนแปลงแบบชั่วคราว

การควบคุมป้อนอัตโนมัติเป็นทางออกที่มีประสิทธิภาพและเป็นไปได้จริงสำหรับผู้ผลิตที่ต้องการเพิ่มความน่าเชื่อถือของกระบวนการผลิต ลดต้นทุนจากของเสียและการหยุดทำงาน และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องจักร (OEE) สำหรับการใช้งานที่ท้าทายอย่างการตกแต่งผิวเหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว งานวิจัยในอนาคตควรเน้นการปรับปรุงกลยุทธ์การตั้งค่าเกณฑ์เพื่อป้องกันการแตกหักพร้อมกับลดเวลาการผลิตให้ได้มากที่สุดในวัสดุที่ผ่านการชุบแข็งและกระบวนการทำงานที่หลากหลายยิ่งขึ้น