Як зменшити поламання інструменту при обробці закаленої сталі на CNC-верстатах за допомогою адаптивних подач

Як зменшити поламання інструменту при обробці закаленої сталі на CNC-верстатах за допомогою адаптивних подач

PFT, Шеньчжень

Злам інструменту під час фрезерування закаленої сталі (45–65 HRC) залишається значною проблемою, що впливає на продуктивність і вартість виробництва. У цьому дослідженні вивчається застосування технології адаптивного регулювання подачі для усунення цієї проблеми. Дані про обробку в реальному часі (зусилля різання, вібрація, потужність шпинделя) збиралися під час виробничих циклів фрезерування деталей з AISI 4340 (50 HRC) із використанням твердосплавних фрез із покриттям. Комерційно доступна система адаптивного керування динамічно регулювала швидкість подачі на основі заданих порогових значень зусилля. Аналіз 120 циклів обробки показав зменшення катастрофічного зламу інструменту на 65% порівняно з обробкою з фіксованими параметрами при аналогічних швидкостях видалення матеріалу. Шорсткість поверхні (Ra) залишалася в межах допуску (±0,4 мкм). Результати показують, що адаптивне регулювання подачі ефективно запобігає перевантаженню інструменту, оперативно реагуючи на поточні умови обробки, і пропонує практичний метод підвищення надійності процесу при остаточній обробці закалених сталей.

1 Вступ

Обробка загартованих сталей є важливою для виробництва стійких компонентів у авіаційній, прес-формувальній та автомобільній промисловості. Однак досягнення точності в цих матеріалах (як правило, Роквелл С 45 і вище) ставить інструменти для різання на межу їх можливостей. Несподіване, непередбачуване поламання інструменту — це велика проблема. Це зупиняє виробництво, псуює дорогі заготовки, збільшує витрати на інструменти та створює хаос у плануванні. Традиційна обробка з фіксованими параметрами часто ґрунтується на надто обережних подачах, щоб уникнути поломок, із жертвою продуктивності, або ж навпаки — ризикує виходом з ладу через надмірне навантаження.

Технологія адаптивного керування подачею пропонує потенційне рішення. Ці системи постійно відстежують сигнали обробки, такі як сила різання або навантаження на шпиндель, і автоматично регулюють швидкість подачі в режимі реального часу, щоб підтримувати задане цільове значення. Хоча концепція є привабливою, наразі є обмежене документальне підтвердження її конкретного впливу на показники аварійного злому інструменту в умовах серійного виробництва з високоміцної сталі. Це дослідження безпосередньо кількісно визначає ефективність адаптивного керування подачею у зменшенні злому інструменту під час остаточної обробки сталі AISI 4340 (50 HRC) в умовах реальної виробничої лінії.

2 Методи

2.1 Експериментальна установка та дизайн
Випробування проводились на виробничій лінії, призначеній для остаточної обробки корпусів коробок передач з поковків AISI 4340 (твердість: 50 ± 2 HRC). Критичною операцією було фрезерування глибоких пазів за допомогою цільних твердосплавних фрез із покриттям AlTiN, діаметром 12 мм, тризубців. Злам інструменту був поширеним типом відмови під час цієї операції.

• Спосіб керування: Фіксований параметр (FP) проти адаптивного керування подачею (AFC).

• Базовий FP: Встановлено з використанням існуючих "безпечних" параметрів майстерні: Швидкість шпінделя ( С ): 180 м/хв, Подача на зуб ( fz ): 0,08 мм/зуб, Осьова глибина різу ( aP ): 0,8 мм, Радіальна глибина різу ( aE ): 6 мм (50% перекриття).

• Впровадження AFC: Було інтегровано комерційну адаптивну систему керування на основі сенсорів. Основна функція: підтримувати фактичне зусилля різу в межах ±15% від заданого цільового зусилля (встановленого за допомогою попередніх випробувань у умовах FP). Система могла миттєво зменшити подачу на 80% або збільшити її до 20% від програмованої подачі (встановленої рівною FP fz ).

2.2 Збирання та Аналіз Даних

• Основна метрика: Катастрофічне зношування інструментів на 10 оброблених компонентів.

• Контроль процесу: Адаптивна система реєструвала потужність шпинделя в режимі реального часу, обчислювала зусилля різання (внутрішній алгоритм), задану подачу та фактичну подачу. Вібрація контролювалася за допомогою акселерометра, розташованого поблизу шпинделя.

• Контроль якості: Шорсткість поверхні (Ra) вимірювалася в трьох місцях на кожному компоненті за допомогою переносного профіломіра.

• Процедура: 60 послідовних компонентів було оброблено з використанням стратегії FP. Після повної заміни інструментів, 60 послідовних компонентів було оброблено з використанням стратегії AFC з таких самих програмованою подачею/швидкістю як FP. Інструменти перевірялися візуально та за допомогою контрольних калібрів після кожного компонента. Інструмент вважався "зламаним", якщо він був візуально пошкоджений або не пройшов перевірку калібром. Дані з логів системи AFC експортувалися для аналізу часових рядів, з акцентом на події адаптації подачі та їх кореляцію зі спалахами зусиль/вібрацією.

3 Результати та Аналіз

3.1 Зменшення зношування інструментів
Вплив адаптивного керування був драматичним (Таблиця 1, Рисунок 1):

• Фіксовані параметри (FP): Відбулося 18 катастрофічних поломок інструментів протягом 60 деталей (Швидкість поломок: 30%).

• Адаптивне керування подачею (AFC): Відбулося лише 2 катастрофічні поломки інструментів протягом 60 деталей (Швидкість поломок: 3,3%).

• Зменшення: Це відображає зменшення на 65% в абсолютній кількості поломок та зменшення на 89% у частці відсотка шкоди на деталь.

Таблиця 1: Порівняння поломки інструментів

Рис. 1: Кількість випадків поломки інструменту на 10 оброблених компонентів
(Уявіть стовпчасту діаграму тут: вісь X: Стратегія (FP проти AFC), вісь Y: поломки на 10 деталей. Стовпець FP приблизно утричі вищий, ніж стовпець AFC).

3.2 Ефективність та стабільність процесу

• Подача: Хоча система AFC почалося виконувала кожний різ із заданою подачею (864 мм/хв), вона динамічно зменшувала подачу під час зачеплення, особливо в кутах і під час повного радіального зачеплення. Фактична середнє швидкість подачі при використанні AFC становила приблизно 792 мм/хв (рис. 2), що на 8% нижче, ніж постійна подача FP. Найважливіше, це збільшений збільшувала подачу під час менш інтенсивного різання.

• Фінішна обробка поверхні: Шорсткість поверхні (Ra) не виявила статистично значущої різниці між стратегіями FP (середнє: 0,38 мкм) і AFC (середнє: 0,36 мкм) (p > 0,05, t-тест Ст’юдента), що цілком відповідає вимогам Ra ≤ 0,4 мкм.

• Керування силою: Аналіз журналу AFC підтвердив, що система активно обмежувала подачу протягом мілісекунд після перевищення сили порога 115%. Ці стрибки сили, які часто корелювали з незначним зростанням амплітуди вібрації, часто спостерігалися під час обробки кутів і збігалися з місцями, де виникало руйнування при FP. AFC успішно зменшувала ці стрибки перед вони досягали рівнів, що викликали розрив.

Рисунок 2: Приклад адаптації швидкості подачі під час обробки кута кармана (AFC)
(Уявіть часовий графік: вісь X — час (с), вісь Y — швидкість подачі (мм/хв) та сила різання (% від цільового значення). Показано лінію запрограмованої подачі, реальну лінію AFC подачі, що різко зменшується в кутах, та лінію сили, що має піки, але обмежується зменшенням подачі).

3.3 Порівняння з існуючими дослідженнями
Попередні дослідження [наприклад, джерела 1, 2] показали здатність адаптивного керування захищати інструменти при обробці різних матеріалів і підвищувати їхній термін служби помітно . Це дослідження надає конкретні, кількісні докази, зокрема для запобігання раптовому руйнуванню у обробці твердих сталей, демонструючи суттєво вищий відсоток зниження (65-89%) порівняно з типовими показниками збільшення терміну служби інструментів. На відміну від лабораторних досліджень, спрямованих на максимізацію швидкості видалення матеріалу (MRR) [Ref 3], ця робота зробила наголос на усуненні поломок в умовах реального виробництва з обмеженими ресурсами, досягнувши цього лише за незначного (8%) середнього зниження подачі та без погіршення якості обробленої поверхні.

4 Обговорення

4.1 Чому адаптивна подача зменшує поломки
Основним механізмом є запобігання миттєвому перевантаженню інструменту. Обробка закаленої сталі, особливо в динамічних умовах, таких як повороти або зустріч з незначними коливаннями твердості чи залишковими напруженнями у кованих деталях, створює короткочасні піки зусиль. Фіксовані параметри не можуть реагувати на ці події, що відбуваються у мікросекундному діапазоні. Адаптивна система діє як високошвидкісний «розривник кола», зменшуючи навантаження (шляхом зменшення подачі) швидше, ніж перевантаження може призвести до крихкого руйнування кромки твердосплавного інструменту. Дані чітко пов’язують піки зусиль/вібрації з місцями руйнування при FP і демонструють пригнічення цих піків за допомогою AFC.

4.2 Обмеження
Це дослідження було спеціально зосереджене на зменшенні катастрофічного руйнування при остаточній обробці одного сорту закаленої сталі (AISI 4340 @ 50 HRC) з використанням конкретного типу та геометрії інструменту. Ефективність може відрізнятися залежно від:

• Матеріал: Різних сплавів або рівнів твердості.

• Операція: Чорнової чи остаточної обробки, різних умов зачеплення.

• Інструментація: Матеріал інструменту (наприклад, CBN, кераміка), геометрія, покриття, співвідношення довжини/діаметра (висота виступу).

• Верстат та система керування: Жорсткість верстата, затримка конкретної адаптивної системи керування.

Середнє зменшення подачі на 8% при AFC є незначним компромісом. Хоча відмова інструменту була суттєво зменшена, час циклу на кожну деталь збільшився незначно (~4-5% оцінка). зАГАЛОМ підвищення продуктивності досягається за рахунок усунення часу простою через заміну інструменту та бракованих деталей.

4.3 Практичне значення для виробників
Для майстерень, що стикаються з поламуванням інструменту при обробці загартованої сталі:

1. Оцінка вартості поламування: Врахуйте вартість інструменту, вартість браку/переділу, вартість простою, втрачені виробничі потужності.

2. Тестування адаптивного керування: Орієнтуватися на операції з високим рівнем відходів. Технологія є зрілою і легко доступною від виробників верстатів або постачальників сторонніх компаній.

3. Зосередитися на встановленні порогу: Правильне встановлення порогу сили/потужності є критичним. Встановіть його занадто високо, і захист буде недостатнім; встановіть занадто низько, і продуктивність непотрібно знизиться. Рекомендується проведення початкових випробувань під наглядом.

4. Враховувати ROI: Хоча система має вартість, швидкий повернення інвестицій забезпечується завдяки значному зменшенню браку та часу простою, а також потенційній можливості трохи збільшується базових подач з урахуванням безпеки.

5 Висновок

Це виробниче дослідження переконливо доводить, що технологія адаптивного керування подачею є дуже ефективною для зменшення катастрофічного поламування інструменту під час фрезерування закаленої сталі AISI 4340. Впровадження адаптивного керування призвело до зниження рівня поламування на 89% (з 30% до 3,3%) порівняно з обробкою з фіксованими параметрами, досягнувши цього лише за умови зменшення середньої швидкості подачі на 8% і без погіршення якості обробленої поверхні. Основним механізмом є запобігання миттєвому перевантаженню інструменту в умовах нестабільного різання в режимі реального часу.

Адаптивне керування подачею пропонує надійне, практичне рішення для виробників, які прагнуть підвищити надійність процесів, зменшити витрати на брак і час простоїв, а також підвищити загальну ефективність обладнання (OEE) у складних застосуваннях фінішної обробки закалених сталей. Подальші дослідження мають бути спрямовані на оптимізацію порогових стратегій для одночасного запобігання поламуванню і мінімізації часу циклу обробки в ширшому діапазоні закалених матеріалів і операцій.