Технология ЧПУ, являющаяся основой современного производства, напрямую влияет на качество и эффективность продукции.
Развитие аэрокосмической промышленности и высокотехнологичного производства требует более высокой точности обработки и качества поверхности.
Традиционная механическая обработка не в состоянии удовлетворить требованиям высокой точности, высокой эффективности и сложности обработки поверхностей.
Поэтому крайне важно провести углубленное исследование применения технологии ЧПУ в прецизионной обработке.
Это предполагает оптимизацию параметров и процессов для повышения производительности производства.
В данном исследовании рассматривается оптимизация ЧПУ для прецизионной обработки с использованием экспериментов и анализа данных.
Статус-кво технологии прецизионной обработки на станках с ЧПУ
Точная обработка с ЧПУ Технологии значительно продвинулись вперед во всем мире благодаря росту производства.
Развитые страны лидируют в НИОКР в области технологий пятикоординатной и сверхточной обработки.
Точность их систем ЧПУ может достигать нанометрового уровня.
Эти системы широко используются в аэрокосмической и оптической промышленности.
Разработка экспериментальной программы
Экспериментальное оборудование и материалы
В экспериментах использовались Пятикоординатный центр DMG MORI DMU50 со скоростью вращения шпинделя 24,000 0.003 об/мин и точностью ±XNUMX мм.
Производители изготавливают заготовку из авиационного алюминиевого сплава 7075 размерами 100×80×60 мм и твердостью HB150.
Операторы используют твердосплавную концевую фрезу Mitsubishi φ12 мм с вылетом 36 мм для жесткости обработки.
Выбор параметров процесса
Исследователи разработали трехфакторный пятиуровневый ортогональный эксперимент на основе предэкспериментальных данных.
Диапазон скоростей резания исследователями был установлен в пределах 100–300 м/мин с шагом 50 м/мин; скорость подачи устанавливалась в пределах 0.05–300 м/мин.
Исследователи установили скорость подачи от 0.05 до 0.25 мм/зуб на 5 уровнях и глубину резания от 0.2 мм до 1.0 мм с интервалом 0.2 мм.
Помощник по планированию экспериментов создал ортогональную таблицу L25 для 25 тестов сочетаний параметров.
Траектория обработки использует стратегию контурной обработки, а радиальная глубина резания поддерживается на уровне 30% от диаметра инструмента.
Методы испытаний и индексы оценки
Исследователи измерили шероховатость поверхности Ra с помощью профилометра Alicona InfiniteFocus G5 3D, используя следующую формулу.
Точность размеров исследователи характеризуют истинным отклонением круглости E, рассчитываемым следующим образом.
Где RМакс – максимальный радиус,мм
Rмин – минимальный радиус,мм
Комплексный индекс оценки качества обработанной поверхности Q принимает следующую весовую модель расчета.
Где Ra0И0T0 – шероховатость поверхности, истинная круглость и время обработки, соответственно, эталонное значение
w1, ш2, ш3 – весовые коэффициенты, и w1 + ш2 + ш3 = 1
Исследователи рассчитали скорость износа инструмента VB, измерив ширину износа задней поверхности.
Где1 – площадь инструмента после износа, мм2
A0 – начальная площадь инструмента, мм2
t – время резки, мин
Исследователи вводят данные в Minitab 19 для ANOVA с целью моделирования и оптимизации параметров процесса.
В процессе измерений операторы контролировали температуру окружающей среды на уровне 20±0.5°С и влажность на уровне 45%±5%.
Оптимизация параметров процесса
Скорость резания влияет на точность обработки
Экспериментальные данные (таблица 1) показывают, что скорость резания (100-300 м/мин) влияет на точность обработки нелинейно.
При скорости резания 180 м/мин заготовка достигает оптимальной точности размеров с истинным отклонением от круглости 0.004 мм.
Таблица 1 Влияние скорости резания на точность обработки (подача: 0.08 мм/зуб, глубина резания: 0.6 мм)
В ходе эксперимента использовалась скорость резания 180 м/мин, при этом повышение температуры шпинделя поддерживалось в пределах 3.5 °C.
Операторам удалось снизить износ инструмента до 0.015 мм/мин. При этом процент годности обрабатываемых деталей увеличился до 98.5%.
Влияние корма на качество поверхности
Интервал подачи составляет 0.05–0.25 мм/зуб, что положительно коррелирует с шероховатостью поверхности Ra.
Наилучшее качество поверхности было получено при скорости подачи 0.08 мм/зуб со значением Ra 0.4 мкм.
Наблюдения с помощью СЭМ показывают, что при подаче 0.08 мм/z следы резания инструмента равномерные, без разрывов и адгезии.
После увеличения подачи до 0.15 мм/z на поверхности появилась периодическая рябь, значение Ra возросло до 0.8 мкм.
Анализ оптимизации глубины резания
Глубина резания варьировалась от 0.2 до 1.0 мм, что показало существенное влияние на эффективность обработки и качество поверхности.
Анализ данных показывает, что глубина резания 0.6 мм обеспечивает оптимальный баланс при эффективности съема 43.2 см³/мин и шероховатости Ra ниже 0.5 мкм.
Испытание силы резания показывает соотношение радиальной и осевой сил 1.8:1, при этом амплитуда вибрации инструмента удерживается в пределах 2.5 мкм.
Исследование выбора метода охлаждения
Мы сравнили три метода охлаждения: сухую резку, мокрое охлаждение и MQL.
В ходе эксперимента расход масляно-воздушной смеси MQL был установлен на уровне 60 мл/ч, а давление воздуха – на уровне 0.5 МПа.
MQL снизил шероховатость поверхности заготовки на 28% до Ra 0.35 мкм по сравнению с влажным охлаждением.
MQL экономит 95% смазочно-охлаждающей жидкости по сравнению с мокрым охлаждением, что значительно снижает затраты и воздействие на окружающую среду.
Интеллектуальная стратегия управления
Технология компенсации инструмента
На основе данных измерений, полученных с помощью оптического прибора для настройки инструмента Renishaw OMP60, создана модель прогнозирования износа инструмента.
Экспериментально измеренный инструмент при резке в течение 180 мин, радиус дуги наконечника увеличился с 0.8 мм до 1.2 мм, задний угол инструмента уменьшился с 12° до 8.5°.
Отслеживая состояние износа инструмента в режиме реального времени, система автоматически рассчитывает величину компенсации и обновляет данные о положении инструмента.
Стратегия компенсации использует метод сегментированной компенсации. Когда величина износа составляет менее 0.1 мм, применяется одноразовая компенсация.
При величине износа более 0.1 мм применяется пошаговая компенсация. В этом случае величина компенсации за каждый шаг не превышает 0.05 мм.
Эксперименты показывают, что стратегия компенсации повышает точность на 35%, увеличивает срок службы инструмента в 1.8 раза и сокращает затраты на 22%.
Проектирование системы мониторинга в реальном времени
Разработчики использовали слияние данных нескольких датчиков и сенсоров для создания системы мониторинга в реальном времени.
Система использует платформу PXI для сбора и обработки данных, реализуя одновременный мониторинг силы резания, вибрации и температуры.
Экспериментальные данные показывают (см. рис. 1), что шероховатость поверхности увеличивается на 52% при изменении силы резания более чем на 20% от заданного значения.
При амплитуде колебаний более 2.5 мкм погрешность круглости увеличивается на 0.008 мм.
Когда температура в зоне резания превышает 120°С, заготовка подвергается заметной термической деформации.
Примечание: Частота дискретизации: сила резания 20 кГц, вибрация 50 кГц, температура 50 Гц, данные отфильтрованы.
Алгоритм адаптивного управления
Нечёткий алгоритм нейронной сети позволяет оптимизировать параметры обработки в реальном времени. Модель управления силой резания выглядит следующим образом.
Где: F(t) — выходное значение силы резания; e(t) — ошибка силы резания;
Kp, Ki, Kd — параметры ПИД.
Правило адаптивной настройки.
Где η1, h2, h3 – скорость обучения
u(t)-контрольная сумма
Результаты эксперимента показывают, что после использования данного алгоритма колебания силы резания снижаются на 45%, а точность обработки повышается на 32%.
Метод компенсации ошибок
Измерения с помощью лазерного интерферометра позволили получить данные о геометрических погрешностях, позволившие создать 21 модель компенсации.
Измеренные данные показывают, что система компенсации основана на измеренных данных для создания пространственной сетки картографирования погрешностей, шаг сетки установлен на 50 мм.
При скорости подачи 6,000 мм/мин система реализовала компенсацию в реальном времени на субмикронном уровне.
После компенсации погрешность цилиндричности снизилась с 0.018 мм до 0.006 мм, погрешность контура — с 0.025 мм до 0.008 мм, что повысило точность на 65%.
Заключение
На основе экспериментов и анализа данных была разработана схема оптимизации ЧПУ для эффективной прецизионной обработки.
Исследование показывает, что оптимальное сочетание параметров резания может значительно повысить точность и эффективность обработки.
Интеллектуальные стратегии управления повышают стабильность обработки и поддерживают процесс.
Результаты экспериментальной проверки показывают, что схема оптимизации может значительно повысить производительность.
При этом обеспечивается требуемая точность обработки. Поэтому схема имеет хорошую ценность для инженерных приложений.
В будущих исследованиях будут изучаться возможности применения ИИ в обработке на станках с ЧПУ для более интеллектуального производства.
FAQ:
Прецизионная обработка на станках с ЧПУ — это высокоточный производственный процесс, использующий инструменты с компьютерным управлением для изготовления сложных деталей. Она играет важнейшую роль в аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности, где крайне важны жёсткие допуски и превосходное качество поверхности.
Скорость резания нелинейно влияет на точность размеров. Эксперименты показывают, что скорость резания 180 м/мин обеспечивает наилучшие результаты: отклонение от круглости составляет всего 0.004 мм, а износ инструмента минимален.
Установлено, что наилучшее качество поверхности достигается при подаче 0.08 мм/зуб, а шероховатость поверхности (Ra) составляет 0.4 мкм. Более низкая или более высокая скорость подачи может привести к появлению неровных следов инструмента или волнистости поверхности.
Глубина резания 0.6 мм обеспечивает оптимальный баланс между скоростью съема материала (43.2 см³/мин) и качеством поверхности (Ra < 0.5 мкм). Большая глубина резания увеличивает износ инструмента и вибрацию, а меньшая — снижает производительность.
Система минимального количества смазки (MQL) превосходит сухое и влажное охлаждение. MQL снижает шероховатость поверхности на 28%, минимизирует износ инструмента и сокращает расход жидкости на 95%, что делает её экономичной и экологичной.
Используя данные об износе в режиме реального времени, сегментированная система компенсации инструмента автоматически корректирует траекторию его движения. Эта стратегия повышает точность обработки на 35%, увеличивает срок службы инструмента в 1.8 раза и снижает производственные затраты на 22%.
Мониторинг в режиме реального времени с помощью многосенсорных систем отслеживает усилие резания, вибрацию и температуру. Эти данные помогают выявлять нестабильность процесса, уменьшать погрешности поверхности и предотвращать термическую деформацию, обеспечивая стабильное качество.
Нечёткие алгоритмы нейронной сети корректируют параметры обработки в режиме реального времени, основываясь на данных датчиков. Это снижает колебания силы резания на 45% и повышает точность на 32%, обеспечивая более интеллектуальные и стабильные операции.
Компенсация геометрических погрешностей использует лазерные измерения и карты пространственных погрешностей для исправления позиционных неточностей. Она уменьшает погрешности цилиндричности с 0.018 мм до 0.006 мм, а погрешности контура — с 0.025 мм до 0.008 мм.
Оптимизация параметров ЧПУ, таких как скорость, подача и глубина, улучшает качество поверхности, точность размеров и эффективность обработки. В сочетании с интеллектуальными стратегиями управления это отвечает современным производственным потребностям и повышает конкурентоспособность в высокотехнологичных отраслях.
