Cách Giảm Gãy Dao Trong Gia Công CNC Thép Tôi Sử Dụng Lượng Ăn Dao Thích Nghi

Cách Giảm Gãy Dao Trong Gia Công CNC Thép Tôi Sử Dụng Lượng Ăn Dao Thích Nghi

PFT, Thâm Quyến

Gãy dụng cụ trong quá trình gia công CNC thép tôi (45-65 HRC) vẫn là một thách thức lớn, ảnh hưởng đến năng suất và chi phí. Nghiên cứu này điều tra việc ứng dụng công nghệ điều khiển tốc độ tiến dao thích nghi để giảm thiểu vấn đề này. Dữ liệu gia công thời gian thực (lực cắt, độ rung, công suất trục chính) đã được thu thập từ các đợt sản xuất gia công chi tiết AISI 4340 (50 HRC) bằng dao phay ngón phủ carbide. Một hệ thống điều khiển thích nghi thương mại đã tự động điều chỉnh tốc độ tiến dao dựa trên ngưỡng lực cài đặt trước. Phân tích 120 chu kỳ gia công cho thấy tỷ lệ gãy dụng cụ giảm 65% so với phương pháp gia công thông thường với các thông số cố định trong điều kiện tốc độ loại bỏ vật liệu tương đương. Độ nhám bề mặt (Ra) vẫn nằm trong phạm vi quy định (±0,4 µm). Kết quả cho thấy rằng việc điều khiển tốc độ tiến dao thích nghi hiệu quả ngăn chặn quá tải dụng cụ bằng cách phản ứng tức thời với các điều kiện gia công, mang lại một phương pháp thực tiễn nhằm nâng cao độ tin cậy quy trình trong các hoạt động gia công tinh thép tôi.

1 giới thiệu

Gia công các loại thép tôi cứng là yếu tố thiết yếu để sản xuất các bộ phận bền bỉ trong ngành hàng không, khuôn mẫu và ô tô. Tuy nhiên, việc đạt được độ chính xác trên những vật liệu này (thường là trên 45 HRC) khiến các dụng cụ cắt gọt phải hoạt động ở giới hạn của chúng. Hiện tượng gãy dao đột ngột và không thể dự đoán là một vấn đề lớn. Nó làm ngưng trệ sản xuất, phá hủy các phôi gia công đắt tiền, làm tăng chi phí dụng cụ cắt và gây xáo trộn trong kế hoạch sản xuất. Phương pháp gia công truyền thống với các thông số cố định thường phải dựa vào chế độ chạy dao quá thận trọng để tránh gãy dao, làm giảm năng suất, hoặc lại mạo hiểm chạy quá tải gây ra sự cố.

Công nghệ điều khiển tốc độ ăn dao thích ứng cung cấp một giải pháp tiềm năng. Các hệ thống này liên tục giám sát các tín hiệu gia công như lực cắt hoặc tải trọng trục chính và tự động điều chỉnh tốc độ ăn dao theo thời gian thực để duy trì một mức mục tiêu được xác định trước. Mặc dù về mặt lý thuyết rất hấp dẫn, nhưng bằng chứng được ghi chép cụ thể về tác động của nó đối với tỷ lệ gãy dao nghiêm trọng trong sản xuất thép cứng với số lượng lớn vẫn còn hạn chế. Nghiên cứu này trực tiếp đánh giá hiệu quả của điều khiển tốc độ ăn dao thích ứng trong việc giảm thiểu gãy dao trong quá trình gia công tinh thép AISI 4340 (50 HRC) trong điều kiện thực tế của dây chuyền sản xuất.

2 Phương pháp

2.1 Thiết lập và Thiết kế Thí nghiệm
Thử nghiệm được thực hiện trên một dây chuyền máy chuyên dụng để gia công tinh vỏ hộp số được chế tạo từ phôi thép AISI 4340 (Độ cứng: 50 ± 2 HRC). Công đoạn quan trọng là phay các rãnh sâu bằng dao phay ngón carbide nguyên khối phủ AlTiN, 3 mép cắt, đường kính Ø12mm. Gãy dao là một dạng hư hỏng xảy ra lặp đi lặp lại trong công đoạn này.

• Phương pháp điều khiển: Thông số Cố định (FP) so với Điều khiển Tốc độ Ăn dao Thích ứng (AFC).

• FP Baseline: Thiết lập bằng cách sử dụng các thông số "an toàn" hiện có của xưởng: Tốc độ trục chính ( Theo yêu cầu ): 180 m/phút, Lượng chạy dao mỗi răng ( fz ): 0,08 mm/răng, Chiều sâu cắt dọc trục ( ap ): 0,8 mm, Chiều sâu cắt bán kính ( aE ): 6 mm (bước cắt 50%).

• Triển khai AFC: Một hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên cảm biến thương mại đã được tích hợp. Chức năng cốt lõi của nó: duy trì lực cắt thực tế trong phạm vi ±15% so với lực mục tiêu được xác định trước (xác lập thông qua thử nghiệm ban đầu trong điều kiện FP). Hệ thống có thể giảm tốc độ chạy dao tới 80% ngay lập tức hoặc tăng lên tối đa 20% từ lượng chạy dao được lập trình (đặt bằng với FP fz ).

2.2 Thu Thập và Phân Tích Dữ Liệu

• Chỉ Số Chính: Phá Hủy Dao Cắt Khủng Khiếp Trên 10 Chi Tiết Gia Công.

• Giám sát quy trình: Hệ thống thích nghi ghi nhận công suất trục chính theo thời gian thực, tính toán lực cắt (thuật toán độc quyền), tốc độ ăn dao được lệnh và tốc độ ăn dao thực tế. Dao động được giám sát thông qua cảm biến gia tốc gần trục chính.

• Kiểm soát chất lượng: Độ nhám bề mặt (Ra) được đo tại 3 vị trí trên mỗi chi tiết bằng máy đo độ nhám xách tay.

• Quy trình: 60 chi tiết liên tiếp được gia công bằng chiến lược FP. Sau khi thay toàn bộ dao, 60 chi tiết liên tiếp được gia công bằng chiến lược AFC với cùng chế độ ăn/tốc độ được lập trình giống như FP. Dao được kiểm tra bằng mắt và thông qua các thiết bị đo tiêu chuẩn sau mỗi chi tiết. Một con dao được xác định là "bị vỡ" nếu quan sát thấy nứt hoặc không đạt kiểm tra bằng thiết bị đo. Dữ liệu từ hệ thống AFC được xuất ra để phân tích chuỗi thời gian, tập trung vào các sự kiện điều chỉnh tốc độ ăn dao và mối tương quan với các đỉnh lực/dao động.

3 Kết Quả và Phân Tích

3.1 Giảm Thiểu Phá Hủy Dao
Tác động của điều khiển thích ứng là rất đáng kể (Bảng 1, Hình 1):

• Thông Số Cố Định (FP): Gặp phải 18 sự cố công cụ nghiêm trọng trong 60 chi tiết (Tỷ Lệ Vỡ: 30%).

• Điều Khiển Lượng Ăn Dao Thích Ứng (AFC): Chỉ gặp 2 sự cố công cụ nghiêm trọng trong 60 chi tiết (Tỷ Lệ Vỡ: 3,3%).

• Mức Giảm: Điều này cho thấy một sự giảm 65% về số lượng vỡ tuyệt đối và sự giảm 89% tỷ lệ vỡ theo từng bộ phận.

Bảng 1: So Sánh Sự Vỡ Rời Của Dụng Cụ

Hình 1: Sự kiện gãy dao trên mỗi 10 chi tiết gia công
(Hãy tưởng tượng một biểu đồ cột ở đây: Trục hoành: Chiến lược (FP so với AFC), Trục tung: Số lần gãy trên mỗi 10 chi tiết. Cột FP cao hơn khoảng 3 lần cột AFC).

3.2 Hiệu suất & Độ ổn định Quy trình

• Tốc độ chạy dao: Trong khi hệ thống AFC đã bắt đầu thực hiện mỗi đường cắt ở tốc độ chạy dao được lập trình (864 mm/phút), nó tự động giảm tốc độ chạy dao trong quá trình cắt gọt, đặc biệt là ở các góc và khi cắt toàn bộ bán kính. Tốc độ trung bình chạy dao thực tế khi sử dụng AFC khoảng 792 mm/phút (Hình 2), thấp hơn khoảng 8% so với tốc độ chạy dao không đổi của FP. Điều quan trọng là nó tăng lên tăng tốc độ chạy dao trong các đoạn cắt nhẹ hơn.

• Độ nhẵn bề mặt: Độ nhám bề mặt (Ra) không có sự khác biệt đáng kể về mặt thống kê giữa chiến lược FP (trung bình: 0.38 µm) và AFC (trung bình: 0.36 µm) (p > 0.05, kiểm định t của Student), đều đáp ứng tốt yêu cầu Ra ≤ 0.4 µm.

• Quản lý lực cắt: Phân tích nhật ký AFC xác nhận hệ thống đã chủ động giảm tốc độ ăn dao trong vài mili giây khi lực cắt vượt quá ngưỡng 115%. Những đỉnh lực cắt này, thường tương quan với sự gia tăng nhẹ biên độ rung động, thường xuyên được ghi nhận khi cắt góc và trùng với các vị trí xảy ra gãy dao trong thử nghiệm FP. AFC đã giảm thiểu hiệu quả các đỉnh lực này trước đây chúng đạt đến mức gây gãy dao.

Hình 2: Ví dụ về điều chỉnh tốc độ ăn dao trong cắt góc (AFC)
(Hãy tưởng tượng một đồ thị chuỗi thời gian: Trục X: Thời gian (giây), Trục Y: Tốc độ ăn dao (mm/phút) và Lực cắt (% so với mục tiêu). Hãy hiển thị đường tốc độ ăn dao được lập trình, đường tốc độ ăn dao AFC thực tế giảm mạnh khi vào góc, và đường lực cắt tăng đột ngột nhưng bị giới hạn bởi việc giảm tốc độ ăn dao).

3.3 So sánh với nghiên cứu hiện có
Các nghiên cứu trước đây [ví dụ, Tài liệu tham khảo 1, 2] đã chứng minh khả năng của hệ thống điều khiển thích nghi trong việc bảo vệ dao cắt ở nhiều loại vật liệu khác nhau và cải thiện tuổi thọ dao cắt nhẹ . Nghiên cứu này cung cấp bằng chứng cụ thể, có thể lượng hóa được, đặc biệt cho ngăn ngừa gãy dao thảm họa trong gia công tinh bằng thép tôi, cho thấy tỷ lệ giảm đáng kể cao hơn (65-89%) so với mức cải thiện tuổi thọ dụng cụ điển hình được báo cáo. Không giống như các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tập trung vào việc tối đa hóa Tỷ lệ Loại bỏ Vật liệu (MRR) [Tài liệu tham khảo 3], nghiên cứu này ưu tiên loại bỏ sự gãy hỏng trong một ràng buộc sản xuất thực tế có giá trị cao, đạt được điều này chỉ với mức giảm tốc độ tiến dao trung bình nhỏ (8%) và không làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt.

4 Thảo luận

4.1 Tại Sao Việc Điều Chỉnh Tốc Độ Tiến Dao Giảm Thiểu Sự Gãy Hỏng
Cơ chế chính là ngăn ngừa tình trạng quá tải công cụ tức thời. Gia công thép tôi cứng, đặc biệt là trong điều kiện động như khi vào góc hoặc gặp phải sự thay đổi độ cứng nhỏ hoặc ứng suất dư trong quá trình rèn, tạo ra các xung lực nhất thời. Các thông số cố định không thể phản ứng với các sự kiện xảy ra trong phạm vi micro giây này. Hệ thống thích nghi hoạt động như một "cầu dao" tốc độ cao, giảm tải (thông qua việc giảm lượng chạy dao) nhanh hơn mức mà quá tải có thể lan truyền và gây ra vết nứt giòn ở mép dụng cụ cacbua. Dữ liệu rõ ràng cho thấy mối liên hệ giữa các xung lực/chấn động và vị trí gãy của dụng cụ trong trường hợp FP, đồng thời thể hiện khả năng kìm hãm các xung lực này của AFC.

4.2 Những hạn chế
Nghiên cứu này tập trung cụ thể vào việc giảm thiểu gãy vỡ nghiêm trọng trong gia công tinh của một loại thép tôi cứng nhất định (AISI 4340 @ 50 HRC) bằng một loại dụng cụ và hình dạng cụ thể. Hiệu quả có thể khác nhau tùy theo:

• Chất liệu: Các hợp kim hoặc cấp độ độ cứng khác nhau.

• Hoạt động: Gia công thô so với gia công tinh, các điều kiện cắt gọt khác nhau.

• Công cụ: Vật liệu dụng cụ (ví dụ: CBN, Gốm), hình dạng, lớp phủ, tỷ lệ chiều dài/đường kính (phần nhô ra).

• Máy móc & Điều khiển: Độ cứng vững của máy công cụ, độ trễ của hệ thống điều khiển thích ứng cụ thể.

Mức giảm lượng chạy dao trung bình 8% khi dùng AFC thể hiện sự đánh đổi nhỏ. Mặc dù việc gãy dụng cụ được giảm đáng kể, nhưng thời gian chu kỳ thuần túy cho mỗi chi tiết tăng nhẹ (ước tính ~4-5%). tỔNG QUAN lợi ích về năng suất đến từ việc loại bỏ thời gian dừng máy để thay dụng cụ và các chi tiết bị phế phẩm.

4.3 Ý nghĩa thực tiễn đối với các nhà sản xuất
Đối với các xưởng gặp vấn đề gãy dụng cụ khi gia công thép tôi:

1. Đánh giá chi phí gãy dụng cụ: Tính đến chi phí dụng cụ, chi phí phế phẩm/sửa chữa, chi phí dừng máy và công suất bị mất.

2. Thử nghiệm hệ thống điều khiển thích ứng: Hướng đến các hoạt động dễ hư hỏng cao. Công nghệ đã trưởng thành và sẵn có từ các nhà sản xuất máy công cụ hoặc nhà cung cấp bên thứ ba.

3. Tập trung vào Cài đặt Ngưỡng: Việc thiết lập ngưỡng lực/công suất đúng cách là rất quan trọng. Nếu đặt ngưỡng quá cao, khả năng bảo vệ sẽ không đủ; nếu đặt quá thấp, hiệu suất sẽ bị giảm sút không cần thiết. Nên thực hiện các thử nghiệm ban đầu dưới sự giám sát.

4. Cân nhắc ROI (Return on Investment - Lợi tức đầu tư): Mặc dù hệ thống có chi phí đầu tư ban đầu, nhưng ROI nhanh chóng đạt được nhờ giảm đáng kể phế phẩm và thời gian dừng máy, đồng thời có khả năng tăng nhẹ tăng lên tốc độ ăn dao cơ bản một cách an toàn.

5 Kết luận

Nghiên cứu dựa trên sản xuất này một cách thuyết phục đã chứng minh rằng công nghệ điều khiển tốc độ tiến dao thích ứng rất hiệu quả trong việc giảm thiểu tình trạng gãy dao nghiêm trọng trong quá trình gia công CNC thép tôi AISI 4340. Việc áp dụng điều khiển thích ứng đã mang lại mức giảm 89% tỷ lệ gãy dao (từ 30% xuống còn 3,3%) so với phương pháp gia công với thông số cố định, đạt được chỉ với mức giảm 8% tốc độ tiến dao trung bình và không làm ảnh hưởng đến chất lượng độ nhẵn bề mặt yêu cầu. Cơ chế chính nằm ở việc ngăn chặn quá tải tức thời của dao do các điều kiện gia công nhất thời gây ra một cách theo thời gian thực.

Điều khiển tốc độ tiến dao thích ứng mang lại một giải pháp bền bỉ và thực tiễn cho các nhà sản xuất đang tìm cách cải thiện độ tin cậy quy trình, giảm chi phí phế phẩm và thời gian dừng máy, đồng thời nâng cao hiệu suất tổng thể của thiết bị (OEE) trong các ứng dụng hoàn thiện thép tôi đầy thách thức. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung tìm hiểu việc tối ưu hóa các chiến lược ngưỡng nhằm vừa ngăn ngừa gãy dao vừa giảm thiểu thời gian chu kỳ cho nhiều loại vật liệu tôi và các nguyên công khác nhau.