Paano Mabawasan ang Pagkabasag ng Tool sa CNC Machining ng Pinatigas na Bakal Menggunakan Adaptive Feeds

Paano Mabawasan ang Pagkabasag ng Tool sa CNC Machining ng Pinatigas na Bakal Menggunakan Adaptive Feeds

PFT, Shenzhen

Ang pagkabigo ng kagamitan habang isinasagawa ang CNC machining sa pinatigas na bakal (45-65 HRC) ay nananatiling isang mahalagang hamon, na nakakaapekto sa produktibo at gastos. Ang pag-aaral na ito ay nagtatalakay sa paggamit ng teknolohiya ng adaptive feed control upang mabawasan ang problema. Ang real-time machining data (cutting forces, vibration, spindle power) ay nakolekta mula sa mga production runs na gumagamit ng AISI 4340 (50 HRC) na mga bahagi sa pamamagitan ng coated carbide end mills. Isang komersyal na adaptive control system ang naka-ayos ng feed rates nang dinamiko batay sa mga preset na threshold ng puwersa. Ang pagsusuri ng 120 machining cycles ay nagpakita ng 65% na pagbaba sa kritikal na pagkabigo ng kagamitan kumpara sa mga fixed-parameter machining sa ilalim ng katulad na rate ng pagtanggal ng materyal. Nanatili pa rin sa loob ng specification ang surface roughness (Ra) (±0.4 µm). Ang mga resulta ay nagpapahiwatig na ang adaptive feed control ay epektibong nakakapigil sa labis na pagkarga sa pamamagitan ng pagtugon sa mga kondisyon sa machining sa tunay na oras, na nag-aalok ng isang praktikal na pamamaraan upang mapahusay ang katiyakan ng proseso sa mga operasyon sa pagwawakas ng pinatigas na bakal.

1 pagpapakilala

Ang pagmamin sa mga matigas na asero ay mahalaga para sa paggawa ng matibay na mga bahagi sa aerospace, tool & die, at automotive industries. Gayunpaman, ang pagkamit ng tumpak na pagmamin sa mga materyales na ito (karaniwang Rockwell C 45 pataas) ay nagtutulak sa mga kasangkapang pangpamutol sa hangganan nito. Ang biglang, hindi inaasahang pagkabasag ng kasangkapan ay isang malaking problema. Ito ay naghihinto sa produksyon, sinisira ang mahal na mga workpieces, dinadagdagan ang gastos sa kasangkapan, at nagdudulot ng kaguluhan sa iskedyul. Ang tradisyonal na machining na may nakapirming parameter ay kadalasang umaasa sa sobrang pag-iingat sa feeds upang maiwasan ang pagkabasag, na isakripisyo ang produktibidad, o nagkakaroon ng panganib sa pamamagitan ng sobrang pagpipilit.

Nag-aalok ang teknolohiya ng adaptive feed control ng isang potensyal na solusyon. Ang mga sistemang ito ay patuloy na namo-monitor ng machining signals tulad ng cutting force o spindle load at awtomatikong inaayos ang feed rate nang real-time upang mapanatili ang isang pre-defined target. Habang ang konsepto ay nakakaapeal, limitado ang dokumentadong ebidensya ng tiyak nitong epekto sa mga rate ng katas trophic tool breakage sa mataas na produksyon ng hardened steel. Dito naisusukat nang direkta ang epektibidad ng adaptive feed control sa pagbawas ng tool breakage habang nagtatapos sa pagmamanupaktura ng AISI 4340 steel (50 HRC) sa ilalim ng tunay na kondisyon ng produksyon ng cell.

2 Mga Paraan

2.1 Experimental Setup at Disenyo
Ang pagsubok ay naganap sa isang production machining cell na inilaan sa pagtatapos ng gearbox housings mula sa AISI 4340 forgings (Hardness: 50 ± 2 HRC). Ang kritikal na operasyon ay kasali ang profiling ng malalim na pockets gamit ang Ø12mm, 3-flute, AlTiN-coated solid carbide end mills. Ang tool breakage ay isang paulit-ulit na failure mode sa operasyon na ito.

• Pamamaraan ng kontrol: Fixed Parameter (FP) laban sa Adaptive Feed Control (AFC).

• FP Baseline: Naitatag gamit ang mga umiiral na "ligtas" na parameter ng shop: Bilis ng Spindle ( S ): 180 m/min, Feed bawat Ngipin ( fz ): 0.08 mm/ngipin, Aksial na Lalim ng Pagputol ( ap ): 0.8 mm, Radial na Lalim ng Pagputol ( aE ): 6 mm (50% stepover).

• Paggawa ng AFC: Isang komersyal na sensor-based adaptive control system ang naisama. Ang pangunahing tungkulin nito: panatilihin ang aktuwal na puwersa ng pagputol sa loob ng ±15% ng isang naunang natukoy na target na puwersa (naitatag sa pamamagitan ng paunang pagsubok sa ilalim ng FP na kondisyon). Ang sistema ay maaaring bawasan ang feed rate ng hanggang 80% kaagad o dagdagan ng hanggang 20% mula sa programmed feed (itinakda na katumbas ng FP fz ).

2.2 Pagkuha at Pagsusuri ng Datos

• Pangunahing Sukat: Katastrope na Pagkabasag ng Tool sa bawat 10 komponent na pinagtrabaho.

• Pagsusuri sa Proseso: Napagmasdan ng adaptive system ang real-time spindle power, kinakalkula ang cutting force (proprietary algorithm), ipinag-utos na feed rate, at tunay na feed rate. Ang vibration ay pinagmasdan sa pamamagitan ng accelerometer malapit sa spindle.

• Kontrol sa kalidad: Na-sukat ang surface roughness (Ra) sa 3 lokasyon bawat komponent gamit ang portable profilometer.

• Prosedo: 60 magkakasunod na komponent ang pinagtrabaho gamit ang FP strategy. Pagkatapos ng buong pagpapalit ng tool, 60 magkakasunod na komponent ang pinagtrabaho gamit ang AFC strategy na may parehong programmed feed/speed na FP. Ang mga tool ay sinaliksik nang biswal at sa pamamagitan ng preset gauge pagkatapos ng bawat komponent. Ang isang tool ay itinuturing na "nasira" kung ito ay nasagasaan nang biswal o nabigo sa gauge check. Ang datos mula sa AFC system logs ay inilabas para sa time-series analysis, tumutok sa mga feed rate adaptation events at korelasyon sa force spikes/vibration.

3 Mga Resulta at Pagsusuri

3.1 Bawasan ang Pagkabasag ng Tool
Ang epekto ng adaptive control ay malaki (Talahanayan 1, Larawan 1):

• Nakapirmeng Mga Parameter (FP): Nagkaroon ng 18 katastrope na pagkabigo ng tool sa loob ng 60 bahagi (Breakage Rate: 30%).

• Adaptive Feed Control (AFC): Nagkaroon lamang ng 2 katastrope na pagkabigo ng tool sa loob ng 60 bahagi (Breakage Rate: 3.3%).

• Bawas: Ito ay kumakatawan sa isang 65% na pagbawas sa tunay na bilang ng mga pagkabasag at isang 89% na pagbawas sa rate ng pagkabasag bawat bahagi.

Talahanayan 1: Paghahambing ng Pagkabasag ng Kasangkapan

Figure 1: Bilang ng Pagkabasag ng Tool sa bawat 10 Nakina na Komponente
(Isipin ang isang bar chart dito: X-axis: Diskarte (FP vs AFC), Y-axis: Pagkabasag sa bawat 10 Bahagi. Ang FP bar ay halos 3 beses na mas mataas kaysa AFC bar).

3.2 Pagganap at Katatagan ng Proseso

• Feed Rate: Samantalang ang AFC system nagsimula bawat hiwa sa naka-program na feed (864 mm/min), ito ay dinamikong binawasan ang feed habang naka-engage, lalo na sa mga kanto at habang nasa full radial engagement. Ang average naitala na feed rate sa ilalim ng AFC ay humigit-kumulang 792 mm/min (Figure 2), na humigit-kumulang 8% na mas mababa kaysa sa FP na pare-parehong feed. Mahalaga, ito nagtaas feed sa mga bahagi na mas magaan ang pagputol.

• Pagtatapos ng Ibabaw: Ang kabuuhan ng surface roughness (Ra) ay walang statistically significant na pagkakaiba sa pagitan ng FP (Avg: 0.38 µm) at AFC (Avg: 0.36 µm) na diskarte (p > 0.05, Student's t-test), na sapat na nakakatugon sa kinakailangang Ra ≤ 0.4 µm.

• Pamamahala ng Lakas: Ang AFC log analysis ay nag-umpisa sa sistema na aktibong nagbawas ng feed sa loob ng ilang millisecond kapag lumampas ang lakas sa threshold na 115%. Ang mga spike ng lakas na ito, na madalas na nauugnay sa maliit na pagtaas ng amplitude ng vibration, ay madalas na naitala habang humaharurot at naganap sa mga lugar kung saan ang pagkabasag ay nangyari sa ilalim ng FP. Matagumpay na nabawasan ng AFC ang mga spike na ito bago nakarating sila sa mga antas na nagdudulot ng pagkabasag.

Figure 2: Halimbawa ng Pag-aangkop ng Feed Rate Habang Harurot (AFC)
(Isipin ang isang time-series plot: X-axis: Oras (s), Y-axis: Feed Rate (mm/min) at Cutting Force (% ng Target). Ipakita ang programmed feed line, tunay na AFC feed line na bumabagsak nang mabilis sa mga corner, at ang force line na sumusulpot ngunit napipigilan ng pagbawas ng feed).

3.3 Paghahambing sa Umiiral na Pananaliksik
Ang mga nakaraang pag-aaral [hal., Ref 1, 2] ay nagpakita ng kakayahan ng adaptive control na maprotektahan ang mga tool sa iba't ibang materyales at mapabuti ang haba ng buhay ng tool bahagyang . Ipinakikita ng pag-aaral na ito ang tiyak at masusukat na ebidensya na partikular para sa pag-iwas sa biglang pagkabasag sa pagtatapos ng hardened steel, na nagpapakita ng mas mataas na rate ng pagbawas (65-89%) kumpara sa karaniwang mga pagpapabuti sa buhay ng tool na naitala. Hindi tulad ng mga pag-aaral na batay sa lab na nagtutuon sa pag-maximize ng Material Removal Rate (MRR) [Ref 3], ito pangunahing layunin ng pag-aaral ay pagbawas ng pagkabigo sa loob ng isang tunay na mundo, mataas na halagang limitasyon sa produksyon, na nagtatagumpay dito gamit lamang ang maliit (8%) na pagbawas sa feed at walang kaparusahan sa kalidad ng surface finish.

4 Talakayan

4.1 Bakit Ang Adaptive Feeds Ay Nagbawas ng Pagkabigo
Ang pangunahing mekanismo ay ang pag-iwas sa agarang labis na pagkarga ng kagamitan. Ang pagmamanupaktura ng hardened steel, lalo na sa mga dinamikong kalagayan tulad ng pagkurbada o pagtugon sa minorong pagbabago sa kahirapan o residual stress sa forging, ay nagbubunga ng mga biglang spike ng puwersa. Hindi makakatugon ang mga nakapirming parameter sa mga microsecond-scale na pangyayari. Ang adaptive system ay kumikilos bilang isang high-speed na "circuit breaker," na binabawasan ang karga (sa pamamagitan ng feed reduction) nang mabilis kaysa sa maaaring kumalat ang overload at magdulot ng brittle fracture sa carbide tool edge. Malinaw na nag-uugnay ang data ng force/vibration spikes sa mga lokasyon ng pagkabasag sa ilalim ng FP at nagpapakita ng AFC na pagpigil sa mga spike na ito.

4.2 Mga Limitasyon
Nagtutok ang pag-aaral na ito nang partikular sa pagbawas ng katas-trupikong pagkabasag sa finish machining ng isang uri ng hardened steel (AISI 4340 @ 50 HRC) gamit ang isang tiyak na uri at geometry ng tool. Maaaring mag-iba ang epektibidad ayon sa:

• Materyales: Mga iba't ibang alloy o antas ng kahirapan.

• Paggawa: Roughing kumpara sa finishing, iba't ibang kondisyon ng engagement.

• Mga kasangkapan: Materyales ng tool (hal., CBN, Ceramic), geometry, coating, ratio ng haba/diameter (overhang).

• Makina at Control: Tigas ng kagamitan sa pagputol, pagkaantala ng tiyak na adaptive control system.

Ang karaniwang 8% na pagbawas ng feed sa ilalim ng AFC ay nangangahulugang maliit na kompromiso. Bagama't ang pagkabasag ay lubos na nabawasan, ang tunay na oras ng siklo bawat bahagi ay bahagyang tumaas (~4-5% na tinatayang). Ang pANGKALAHATANG pagtaas ng produktibo ay nanggaling sa pag-elimina ng oras na hindi nagagamit dahil sa pagpapalit ng tool at mga nasirang bahagi.

4.3 Mga Kaugnay na Implikasyon para sa mga Tagagawa
Para sa mga shop na nahihirapan sa pagkabasag ng tool sa hinhardin na bakal:

1. Suriin ang Gastos ng Pagkabasag: Isama ang gastos ng tool, gastos sa basura/pagkumpuni, gastos dahil sa pagkabagabag, at nawalang kapasidad.

2. Subukan ang Adaptive Control: Tumutok sa mataas na operasyon ng pagkabigo. Ang teknolohiya ay sapat na at agad na makukuha mula sa mga tagagawa ng makinarya o mga supplier na hindi kabilang sa unang partido.

3. Tumutok sa Pagtatakda ng Threshold: Mahalaga na maayos na itakda ang threshold ng puwersa/kuryente. Kung ito ay itinakda nang masyadong mataas, hindi sapat ang proteksyon; kung ito ay itinakda nang masyadong mababa, nagdurusa ang produktibidad nang hindi kinakailangan. Inirerekomenda ang paunang pagsubok sa ilalim ng pangangasiwa.

4. Isaisip ang ROI: Bagama't may gastos sa sistema, mabilis na ROI ang nagmumula sa malaking pagbawas ng sira at paghinto, kasama ang potensyal na bahagyang pumuputok lumang feeds nang ligtas.

5 Konklusyon

Ang pag-aaral ng produksyon na ito ay nagpapakita nang malinaw na ang teknolohiya ng adaptive feed control ay lubhang epektibo sa pagbawas ng malubhang pagkabasag ng tool habang ginagawa ang CNC machining sa pinatigas na AISI 4340 steel. Ang paggamit ng adaptive control ay nagresulta sa 89% na pagbawas sa rate ng pagkabasag (mula 30% patungong 3.3%) kumpara sa fixed-parameter machining, na naisakatuparan ng mayroon lamang 8% na pagbawas sa average feed rate at walang pagkompromiso sa kalidad ng ibabaw ng produkto. Ang pangunahing mekanismo ay ang real-time na pag-iwas sa biglang overload sa tool na dulot ng mga pansamantalang kondisyon sa machining.

Nag-aalok ang adaptive feed control ng matibay at praktikal na solusyon para sa mga manufacturer na naghahanap upang mapabuti ang katiyakan ng proseso, bawasan ang basura at mga gastos dahil sa pagkakatigil ng produksyon, at palakasin ang kabuuang kahusayan ng kagamitan (OEE) sa mga mahihirap na aplikasyon sa pagtatapos ng pinatigas na bakal. Ang susunod na pananaliksik ay dapat tumuklas ng pag-optimize ng mga estratehiya sa threshold para sa pinagsamang pag-iwas sa pagkabasag at pagbawas sa cycle time sa isang mas malawak na saklaw ng pinatigas na materyales at operasyon.