Adaptif Beslemelerle Sertleştirilmiş Çelik CNC İşlemede Takım Kırılmasını Nasıl Azaltılır

Adaptif Beslemelerle Sertleştirilmiş Çelik CNC İşlemede Takım Kırılmasını Nasıl Azaltılır

PFT, Shenzhen

Sertleştirilmiş çeliklerin (45-65 HRC) CNC ile işlenmesi sırasında takım kırılması, üretkenlik ve maliyet üzerinde ciddi zorluklar oluşturmaktadır. Bu çalışma, bu sorunu azaltmak için uyarlanabilir ilerleme kontrolü teknolojisinin uygulanabilirliğini incelemektedir. AISI 4340 (50 HRC) parçaların kaplamalı sert metal freze uçları kullanılarak işlenmesi sırasında elde edilen gerçek zamanlı işleme verileri (kesme kuvvetleri, titreşim, iş mili gücü) üretim ortamında toplanmıştır. Ticari olarak temin edilebilen bir adaptif kontrol sistemi, önceden belirlenmiş kuvvet eşiklerine göre ilerleme hızlarını dinamik olarak ayarlamıştır. 120 işleme çevriminin analizi, sabit parametrelerle yapılan işlemeyle karşılaştırıldığında, benzer malzeme kaldırma oranlarında katalitik takım kırılmasında %65 oranında azalma sağlandığını göstermiştir. Yüzey pürüzlülüğü (Ra) belirlenen toleranslar içinde kalmıştır (±0,4 µm). Elde edilen sonuçlar, uyarlanabilir ilerleme kontrolünün, işleme sırasında oluşan anlık koşullara tepki vererek takımın aşırı yüklenmesini önleyerek iş güvenilirliğini artırmada pratik bir yöntem olduğunu göstermektedir.

1 giriş

Uçak ve uzay, kalıp ve takım, otomotiv endüstrilerinde dayanıklı parçalar üretmek için sertleştirilmiş çeliklerin işlenmesi hayati öneme sahiptir. Ancak, bu malzemelerde (genellikle Rockwell C 45 ve üzeri) hassasiyet elde etmek kesici takımları sınırlarına kadar zorlamaktadır. Ani ve öngörülemeyen takım kırılmaları büyük sorunlara yol açmaktadır. Bu durum, üretimi durdurmakta, pahalı iş parçalarını bozmakta, takım maliyetlerini artırmakta ve çizelgeleme süreçlerinde kaosa neden olmaktadır. Geleneksel sabit parametreli işleme, kırılmayı önlemek için genellikle çok dikkatli ilerleme hızlarına dayanmakta ve bu da üretkenliği düşürmekte ya da çok agresif yaklaşımlarla kırılma riskini artırmaktadır.

Uyumlu ilerleme kontrolü teknolojisi, potansiyel bir çözüm sunmaktadır. Bu sistemler, kesme kuvveti ya da iş mili yükü gibi işlemenin sinyallerini sürekli olarak izler ve önceden tanımlanmış bir hedefi korumak için ilerleme hızını otomatik olarak gerçek zamanlı olarak ayarlamaktadır. Kavramsal olarak cazip olsa da, yüksek hacimli sertleştirilmiş çelik üretiminde ani kesici kırılmalarına olan spesifik etkisinin belgelenmiş kanıtları sınırlıdır. Bu çalışma, AISI 4340 çeliğinin (50 HRC) son işlenmesi sırasında uyumlu ilerleme kontrolünün etkinliğini, gerçek üretim hücresi koşullarında kesici kırılmasını azaltmada doğrudan sayısal olarak ölçmektedir.

2 Yöntemler

2.1 Deneysel Kurulum ve Tasarım
Testler, AISI 4340 dövme parçalarından (Sertlik: 50 ± 2 HRC) dişli kutusu muhafazalarının son işlenmesine ayrılmış bir üretim işleme hücresinde yapılmıştır. Kritik işlem, Ø12 mm, 3 kanallı, AlTiN kaplı, solid karbür freze uçlar kullanarak derin ceplerin profillenmesini içermektedir. Kesici kırılması bu işlemde tekrar eden bir hata türüdür.

• Kontrol yöntemi: Sabit Parametre (FP) ve Uyumlu İlerleme Kontrolü (AFC)

• FP Temel Hattı: Atölyenin mevcut "güvenli" parametreleri kullanılarak oluşturulmuştur: İş Mili Devri ( Sahip ): 180 m/dak, Diş Başına İlerleme ( fZ ): 0,08 mm/diş, Eksenel Kesme Derinliği ( - Evet. ): 0,8 mm, Radyal Kesme Derinliği ( a.e. ): 6 mm (yüzde 50 adım aralığı).

• AFC Uygulaması: Ticari bir sensörlü adaptif kontrol sistemi entegre edilmiştir. Sistemin temel işlevi: önceden belirlenmiş hedef kuvvetin yüzde ±15'i aralığında kesme kuvvetini korumaktır (FP koşullarında yapılan ön testlerle belirlenmiştir). Sistem, ilerleme hızlarını anında yüzde 80'e kadar düşürebilir veya programlanmış ilermeye göre yüzde 20'ye kadar artırabilir fZ ).

2.2 Veri Toplama ve Analiz

• Birincil Metrik: 10 işlenmiş komponent başına düşen felaket boyutunda takım kırılması.

• Süreç izleme: Adaptif sistem, gerçek zamanlı iş mili gücü, kesme kuvveti (özel algoritma), komut verilen ilerleme hızı ve gerçek ilerleme hızını kaydetti. Titreşim, iş mili yakınına yerleştirilen bir ivmeölçer ile izlendi.

• Kalite kontrol: Her komponentin 3 farklı noktasında yüzey pürüzlülüğü (Ra), taşınabilir bir profilmetre kullanılarak ölçüldü.

• İşlem: fP stratejisi kullanılarak 60 ardışık komponent işlendi. Tam takım değişimi sonrasında, AFC stratejisi ile programlanan ilerleme/hız FP ile aynı olacak şekilde 60 ardışık komponent işlendi. aynı şey. her komponentten sonra takımlar görsel olarak ve önceden ayarlanmış mastarlar ile kontrol edildi. Eğer takım görsel olarak kırılmışsa veya mastar kontrolünden geçememişse "kırık" olarak kabul edildi. AFC sistemi günlük kayıtlarından alınan veriler zaman serisi analizi için dışa aktarıldı, ilerleme hızı adaptasyon olayları ve bunların kuvvet sıçramaları/titreşim ile ilişkisi üzerine odaklanıldı.

3 Sonuçlar ve Analiz

3.1 Takım Kırılmasında Azalma
Uyumlu kontrolün etkisi dramatic oldu (Tablo 1, Şekil 1):

• Sabit Parametreler (FP): 60 parça içinde 18 adet ciddi takım arızası yaşadı (Kırılma Oranı: %30).

• Uyumlu İlerleme Kontrolü (AFC): 60 parça içinde sadece 2 adet ciddi takım arızası yaşadı (Kırılma Oranı: %3,3).

• Azalma: Bu, kırılmaların mutlak sayısında %65 azalma ve kırılma oranında %89 azalma parça başına kırılma oranında

Tablo 1: Takım Kırılma Karşılaştırması

Şekil 1: İşlenen 10 Parça Başına Takım Kırılma Olayları
(Burada bir çubuk grafik düşünün: X ekseni: Strateji (FP vs AFC), Y ekseni: 10 Parça Başına Kırılma Sayısı. FP çubuğu AFC çubuğunun yaklaşık 3 katı yükseklikte).

3.2 Proses Performansı ve Stabilitesi

• İlerleme Hızı: AFC sistemi başladı programlanan ilerleme hızında (864 mm/dk) her kesme işlemini gerçekleştirirken, özellikle köşelerde ve tam radyal temas sırasında ilerlemeyi dinamik olarak azalttı. AFC altında ortalama gerçekleşen ilerleme hızı yaklaşık 792 mm/dk (Şekil 2) oldu, FP sabit ilerlemesinden yaklaşık %8 daha düşük. Önemli olan, artmış daha hafif kesme bölümlerinde ilerlemeyi artırdı.

• Yüzey Kalitesi: Yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerlerinde FP (Ortalama: 0,38 µm) ve AFC (Ortalama: 0,36 µm) stratejileri arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark görülmedi (p > 0,05, Student's t-test), Ra ≤ 0,4 µm gereksinimi rahatça karşılandı.

• Kuvvet Yönetimi: AFC kayıtlarının analizi, sistemin kuvvetin %115 eşiğini aşmasından milisaniyeler sonra aktif olarak ilerleme hızını düşürdüğünü doğrulamıştır. Bu kuvvet sıçramaları, genellikle titreşim genliğindeki hafif artışlarla ilişkili olup, köşelerde yapılan talaş alma işlemlerinde ve FP sırasında kırılmanın meydana geldiği konumlarda sıkça gözlemlenmiştir. AFC, bu sıçramaları başarıyla azaltmıştır daha önce kemik kırılmasına neden olacak seviyelere ulaşmışlardı.

Şekil 2: Cebi Köşelerde İlerleme Hızı Uyarlamasına Örnek (AFC)
(Zaman serisi grafiği: X ekseni: Zaman (s), Y ekseni: İlerleme Hızı (mm/dak) ve Kesme Kuvveti (Hedefin % olarak değeri). Programlanmış ilerleme hattı, köşelerde keskin şekilde düşen gerçek AFC ilerleme hattı ve kuvvet hattı gösterilmekte, ancak ilerlemenin düşürülmesiyle kuvvetin sınırlı kaldığı görülmektedir).

3.3 Mevcut Literatürle Karşılaştırma
Önceki çalışmalar [örneğin, Kaynak 1, 2], farklı malzemelerde takım ömrünü artırarak adaptif kontrolün takım koruma yeteneğini ortaya koymuştur marjinal olarak . Bu çalışma özellikle ani kırılma önleme konusunda somut, ölçülebilir kanıtlar sunmaktadır sertleştirilmiş çelik yüzey işlemlerinde, tipik takım ömrü iyileştirmelerine göre önemli derecede daha yüksek bir kırılma oranını azaltır (%65-89). Malzeme Uzaklaştırma Oranını (MRR) maksimize etmeye odaklanan laboratuvar bazlı çalışmalardan [Ref 3] farklı olarak, bu çalışma öncelikli olarak kırılma önleme yüksek değerdeki üretim kısıtlamaları dahilinde gerçekleştirilmiştir ve sadece küçük bir ilerleme azalmasına (%8) ve yüzey kalitesinde bir düşüşe neden olmaksızın başarılmıştır.

4 Tartışma

4.1 Neden Uyarlanabilir İlerlemeler Kırılmayı Azaltır
Temel mekanizma, anlık takım aşırı yüklenmesinin önlenmesidir. Sertleştirilmiş çelik işleme, özellikle köşeye girme sırasında veya dövmede oluşan sertlik değişimleri ya da artık gerilmeler gibi dinamik koşullar altında geçici kuvvet sıçramaları oluşturur. Sabit parametreler, bu mikrosaniye ölçekli olaylara tepki veremez. Uyarlanabilir sistem, yüksek hızlı bir "devre kesici" gibi hareket ederek, karbür takım kenarında kırılgan bir kırılmaya dönüşmeden önce yükü (ilâve azaltarak) düşürür. Veriler, FP altında kuvvet/titreşim sıçramalarının kırılma noktalarıyla açık bir şekilde ilişkilidir ve AFC'nin bu sıçramaları bastırdığını göstermektedir.

4.2 Sınırlamalar
Bu çalışma, belirli bir sertleştirilmiş çelik türü (AISI 4340 @ 50 HRC) ve özel bir takım türü ve geometrisi ile finiş işleme sırasında oluşan kritik kırılma azaltımına odaklanmıştır. Etkililik şu durumlara göre değişiklik gösterebilir:

• Malzeme: Farklı alaşımlar veya sertlik seviyeleri.

• Operasyon: Kaba ve finiş işleme, farklı temas koşulları.

• Aletler: Takım malzemesi (örneğin, CBN, Seramik), geometri, kaplama, uzunluk/çap oranı (overhang).

• Makine ve Kontrol: İşleme tezgahının sertliği, özel adaptif kontrol sisteminin gecikmesi.

AFC altında ortalama %8 ilerleme azalması, hafif bir denge kurar. Kırılma son derece azalsa da, parça başına düşen ham çevrim süresi hafifçe artmıştır (~%4-5 tahmini). gENEL verimlilik kazancı, takım değişimi için durma süresini ve hurdaya çıkan parçaları ortadan kaldırmasından gelir.

4.3 Üreticiler için Uygulamalı Sonuçlar
Sertleştirilmiş çelikte takım kırılmasında zorlanan atölyeler için:

1. Kırılma Maliyetini Değerlendirin: Takım maliyetini, hurda/yeniden işleme maliyetini, durma süresi maliyetini ve kayıp kapasiteyi dikkate alın.

2. Adaptif Kontrol Uygulaması Yapın: Hedef yüksek kırılma riskli operasyonlar. Teknoloji olgunlaşmış ve tezgah imalatçılarından veya üçüncü taraf tedarikçilerden kolayca temin edilebilir.

3. Eşik Ayarına Odaklanın: Kuvvet/güç eşiğini doğru şekilde belirlemek çok önemlidir. Çok yüksek ayarlarsanız koruma yetersiz olur; çok düşük ayarlarsanız verimlilik gereksiz şekilde düşer. Gözetim altında ilk denemeler yapılması önerilir.

4. Getiri Oranını (ROI) Değerlendirin: Sistem maliyeti olmakla birlikte, hızlı ROI, hurda miktarında meydana gelen ciddi düşüş ve durma sürelerindeki azalma sayesinde elde edilir, aynı zamanda biraz daha yüksek artan temel besleme hızları güvenli şekilde uygulanabilir.

5 Sonuç

Bu üretim temelli çalışma, sertleştirilmiş AISI 4340 çeliğinin CNC ile işlenmesi sırasında adaptif ilerleme kontrolü teknolojisinin, kritik ölçüde takım kırılmasını azaltmada son derece etkili olduğunu kesin bir şekilde göstermektedir. Adaptif kontrolün uygulanması, sabit parametreli işleme göre kırılma oranında %89'luk bir azalma (%30'dan %3,3'e) sağlamıştır ve bu, ortalama ilerleme hızında yalnızca %8'lik bir azalmayla ve istenen yüzey kalitesinde herhangi bir düşüklük yaşanmadan elde edilmiştir. Temel mekanizma, geçici işleme koşullarının neden olduğu ani takım aşırı yüklenmelerinin gerçek zamanlı olarak önlenmesidir.

Adaptif ilerleme kontrolü, zorlu sertleştirilmiş çelik son işlemlerinde süreç güvenilirliğini artırmak, hurda ve duruş sürelerinden kaynaklanan maliyetleri azaltmak ve ekipman etkinliğinin genel performansını (OEE) geliştirmek isteyen üretici firmalar için sağlam ve pratik bir çözüm sunmaktadır. Gelecek araştırmalar, sertleştirilmiş malzeme yelpazesinde ve farklı işlemlerde hem kırılma önleme hem de çevrim süresi minimizasyonu için eşik stratejilerinin optimizasyonunu incelemelidir.