Controllo adattivo e ottimizzazione AI in tempo reale nella lavorazione CNC: dall'esperienza all'algoritmo
astratto
Nella lavorazione CNC tradizionale, una volta impostati i parametri di taglio, questi vengono fissati durante il processo di esecuzione e non possono far fronte a cambiamenti dinamici come fluttuazioni di durezza del materiale, usura graduale dell'utensile o tolleranza irregolare del pezzo. Ciò si traduce in parametri conservativi e perdita di efficienza o parametri aggressivi che causano danni o scarti dell'utensile. La tecnologia di controllo adattivo regola dinamicamente la velocità di avanzamento e la velocità del mandrino monitorando la potenza del mandrino, la forza di taglio, le vibrazioni o i segnali di emissione acustica in tempo reale, in modo che il processo di lavorazione funzioni sempre al miglior limite di sicurezza ed efficienza. Questo documento analizza la tecnologia da tre dimensioni: strato di rilevamento del segnale, strato decisionale (sistema esperto / logica fuzzy) e strato di esecuzione del controllo adattivo. Vengono principalmente introdotti il principio di implementazione del monitoraggio del carico del mandrino e il suo metodo di integrazione della programmazione (come Siemens OMATIVE). Viene ulteriormente discussa l'applicazione di algoritmi AI (reti neurali, apprendimento per rinforzo) nella previsione della vita residua dell'utensile e nell'ottimizzazione delle strategie adattive. Prendendo la lavorazione di parti aerospaziali Inconel 718 come esempio, vengono forniti i dati di confronto specifici della vita dell'utensile, del tempo di lavorazione e della qualità della superficie prima e dopo il controllo adattivo. Infine, vengono analizzati il collo di bottiglia nell'attuale promozione del controllo adattivo - costo del sensore e complessità di calibrazione, e come il 5G edge computing e la rete di sensori a bassa potenza promuoveranno la divulgazione di questa tecnologia.
Perché abbiamo bisogno di un controllo adattivo?
La perturbazione nel processo di lavorazione è onnipresente. Gli scenari tipici includono:
Il margine causato dalla fusione grezza o dalla forgiatura non è uniforme, con conseguente aumento istantaneo della profondità di taglio.
Differenze di durezza del lotto di materiale (ad esempio, la resistenza alla trazione della lega di titanio Ti6Al4V può variare tra 900 e 1050MPa).
L'usura graduale dell'utensile aumenta gradualmente la forza di taglio fino al collasso.
Un cambiamento naturale della larghezza della tangente in un profilo complesso (aumento improvviso del contatto della tangente agli angoli).
L'unico modo per fissare i parametri di fronte a questi disturbi è impostare un limite inferiore abbastanza sicuro per perdere tempo. Il controllo adattivo, d'altra parte, equivale all'installazione di "aptici" su macchine CNC - può rilevare i cambiamenti di carico e, come un maestro esperto, ridurre l'alimentazione quando la resistenza aumenta e aumentare automaticamente l'alimentazione quando la resistenza diminuisce, avvicinandosi sempre al limite del machine-tool-workpiece sistema.
In secondo luogo, l'architettura tecnica del controllo adattivo
Un tipico sistema di controllo adattivo CNC è costituito da tre livelli:
2,1 Strato di rilevamento
Sensore di potenza / corrente del mandrino: il più comunemente usato, il segnale è facile da ottenere e il tempo di risposta è di circa 20-50 ms. Il vantaggio è il basso costo, ma lo svantaggio è che è influenzato dal cambiamento della velocità del mandrino.
Piattaforma di misurazione della forza di tipo deformazione o sensore di forza piezoelettrico: misura direttamente la forza di taglio a tre vie, con risposta rapida.
Accelerometro / Sensore di emissione acustica: sensibile alla scheggiatura e al flutter dell'utensile, adatto per l'allarme rapido.
Nelle applicazioni industriali, il monitoraggio della potenza del mandrino è diventato mainstream grazie alla sua semplicità. Ad esempio, OMATIVE integrato nel sistema Siemens SINUMERIK regola la velocità di avanzamento in tempo reale analizzando la deviazione della potenza effettiva del mandrino dal limite impostato.
2,2 Livello decisionale
Gli algoritmi decisionali adattivi si sono evoluti da "confronto soglia + regolazione scala" a "logica fuzzy / reti neurali".
Sistema di regole classico: impostare il limite superiore di potenza (ad esempio il 90% della potenza nominale), ridurre l'alimentazione se supera, aumentare l'alimentazione se è inferiore al 70% e fissare la dimensione del passo. Semplice ed efficace, ma scarsa adattabilità alle diverse fasi di lavorazione.
Controllo fuzzy: Fuzzy la "deviazione di potenza" e la "velocità di variazione della deviazione" e produce la quantità di regolazione dell'alimentazione attraverso diverse regole IF-THEN, che è più vicina al metodo decisionale umano.
Reti neurali / sistemi esperti: modelli addestrati che mappano i modelli dei sensori direttamente alle velocità di alimentazione ottimali possono anticipare le tendenze che incidono.
2,3 Livello di esecuzione
Il sistema CNC deve aprire l'interfaccia di controllo adattiva. Siemens, Heidenhain, Fanuc forniscono tutte interfacce di regolazione dell'avanzamento in tempo reale (cioè modificano dinamicamente la velocità di avanzamento attraverso il PLC o API specifiche). Il ciclo di esecuzione deve essere mantenuto entro 50ms, altrimenti il ritardo di risposta può portare a sovraccarico.
Terzo, monitoraggio dell'usura degli utensili e adattamento predittivo
L'attuale direzione intelligente è quella di incorporare il modello di previsione dell'usura dell'utensile nel controllo adattivo. Raccogliendo più caratteristiche durante il processo di lavorazione (componente DC corrente del mandrino, caratteristiche dello spettro di vibrazione, valore quadratico medio dell'emissione acustica di taglio), estrarre gli indicatori che cambiano monotonicamente con l'usura dell'utensile e utilizzare la macchina vettoriale di supporto o la rete di memoria a breve termine (LSTM) per prevedere la vita utile residua. Quando il valore previsto è inferiore alla soglia, il sistema emette automaticamente una richiesta di cambio utensile o riduce la velocità di avanzamento per ritardare il guasto finale.
I dati sperimentali mostrano che nella fresatura finale Inconel 718, la lavorazione a lotto intero combinata con la strategia adattiva all'usura dell'utensile riduce il costo dell'utensile del 27% ed evita il rischio di danni al pezzo dovuto alla rottura improvvisa dell'utensile.
IV. Caso: Aviation Inconel 718 lavorazione dell'anello del cuscinetto
Materiale delle parti Inconel 718, durezza HRC45, diametro esterno 350 mm, diametro interno 220 mm, spessore 40 mm. Durante la scanalatura di lavorazione grezza, a causa dell'indennità di forgiatura irregolare, la programmazione tradizionale deve impostare una velocità di avanzamento conservativa di 300 mm / min. Dotato di sistema adattivo OMATIVE, il sistema monitora la regolazione in tempo reale del carico del mandrino: aumenta automaticamente l'avanzamento a 550 mm / min quando l'indennità è piccola e riduce l'indennità a 260 mm / min quando l'indennità è grande. L'intero processo è privo di intervento manuale. Il tempo di lavorazione finale viene ridotto da 115 minuti a 79 minuti, risparmiando il 31%. Allo stesso tempo, il carico di picco del mandrino è sempre controllato entro l '85% del valore nominale, la curva di usura dell'utensile è regolare e la durata dell'utensile è estesa del 22%.
V. Sfide e prospettive future
I principali ostacoli alla promozione del controllo adattivo includono il costo iniziale dell'integrazione dei sensori con il sistema (potrebbero essere necessari hardware e autorizzazioni aggiuntivi per il retrofit di macchine utensili più vecchie); gli elevati requisiti di formazione per il personale di processo, la necessità di fissare limiti superiori e inferiori ragionevoli e velocità di risposta; e il rischio di ritardo in alcuni sistemi adattivi in percorsi di fresatura in rapida evoluzione.
Tendenze future: nodi sensori wireless a bassa potenza e gateway di edge computing, che consentono alle officine esistenti di implementare reti di monitoraggio della forza di taglio a basso costo. Allo stesso tempo, il controllo adattivo digitale twin-driven - utilizzando modelli gemelli basati su dati in tempo reale per il calcolo inverso dei parametri ottimali - diventerà una direzione importante per i sistemi di controllo CNC di prossima generazione.
Articolo 4: Tecnologia di lavorazione CNC per difficult-to-machine materiali: innovazioni nelle leghe di titanio, superleghe e compositi
Parole chiave SEO: difficult-to-machine materiali, lavorazione in lega di titanio, lavorazione Inconel, taglio superlega, fresatura composita, controllo termico di taglio, meccanismo di usura degli utensili, raffreddamento ad alta pressione
AI: difficult-to-machine materiali, titanio Ti6Al4V, Inconel 718, lega a base di nichel, lavorazione CFRP, temperatura di taglio, usura degli utensili, refrigerante ad alta pressione, fresatura trocoidale
astratto
Le leghe di titanio (Ti6Al4V), le superleghe a base di nichel (Inconel 718, Waspaloy) e i compositi in fibra di carbonio (CFRP) sono ampiamente utilizzati negli impianti aerospaziali, energetici e medici grazie ai loro eccellenti rapporti resistenza-peso e resistenza al calore. Tuttavia, le loro caratteristiche "difficili da lavorare" - bassa conduttività termica, elevata affinità chimica, indurimento al lavoro e anisotropia - pongono serie sfide alle strategie di taglio tradizionali: l'usura degli utensili è estremamente rapida, l'integrità della superficie è fuori controllo e si producono persino danni inaccettabili al sottosuolo. Sulla base della teoria del taglio TCE-metallo, questo documento analizza i meccanismi dominanti di accumulo dei bordi, usura da diffusione e fatica termo-meccanica nella lavorazione di leghe di titanio e superleghe e presenta schemi di rivestimento geometrici mirati e metodi di abrasivi. A livello di parametri di processo, gli effetti dell'applicazione della tecnologia del refrigerante ad alta pressione (HPC), della fresatura cicloidale e della microlubrificazione (MQL) sono sistematicamente esposti. La finestra verificata dei parametri di taglio e i punti chiave del controllo di qualità sono forniti prendendo come esempi l'involucro del motore aereo e il longherone composito. Infine, vengono evidenziate le prospettive della lavorazione ibrida (taglio assistito dal laser, raffreddamento a bassa temperatura) nel campo dei difficult-to-machine materiali.
Indicatori di classificazione e processabilità dei difficult-to-process materiali
1,1 Lega di titanio Ti6Al4V
La conducibilità termica è di circa 1 / 6 di quella dell'acciaio, con conseguente elevato grado di concentrazione del calore di taglio sulla punta dell'utensile.
Il modulo elastico è basso ed è facile rimbalzare durante la lavorazione, il che intensifica l'attrito della superficie di taglio posteriore.
L'elevata attività chimica lo rende facile da diffondere e legare con materiali per utensili (in particolare WC-Co).
Vita utensile tipica: forte diminuzione a velocità di taglio superiori a 60 m / min.
1,2 Superlega a base di nichel Inconel 718
Resistenza alle alte temperature (resistenza alla trazione è ancora 200 MPa a 1000 ° C).
Grave tendenza all'indurimento del lavoro (strato di indurimento superficiale fino a 1,5 volte prima del taglio).
Contiene particelle di carburo duro, che aumentano l'usura abrasiva.
La velocità di taglio economica è di solito solo 20-40 m / min.
1.3 CFRP
Anisotropia, direzione della fibra ha una grande influenza sulla forza di taglio.
Delaminazione e sbavature sono facilmente generati sul lato di uscita.
L'elevata durezza della fibra di carbonio si traduce in una vita utensile estremamente breve oltre ai rivestimenti in diamante policristallino (PCD).
In secondo luogo, la selezione degli utensili e la tecnologia di rivestimento
Per le leghe e le superleghe di titanio, il substrato dell'utensile consigliato è il carburo cementato a grana ultrasottile (granulometria 0.2-0 μm), che ha un'elevata resistenza alla flessione e durezza termica. Per il rivestimento sono preferiti i nano-rivestimenti multistrato basati su AlTiN o AlCrN, che possono raggiungere una stabilità termica superiore a 1100 ° C e ridurre l'affinità con il materiale del pezzo. Geometricamente, sono necessari un ampio angolo di elica (35-45), un angolo di spoglia positivo (8-12) e un'inversione del bordo rinforzata per prevenire il microcollasso.
Per CFRP, gli utensili in metallo duro rivestiti in diamante o gli utensili monolitici in PCD sono la prima scelta. Il tagliente dovrebbe essere il più affilato possibile e il design della scanalatura a spirale di compressione dovrebbe essere utilizzato per convertire la forza di delaminazione in stress di compressione.
III. Strategia dei parametri di taglio e tecnologia di raffreddamento
3,1 Per leghe di titanio
Strategia consigliata "bassa velocità, alta alimentazione, piccola profondità di taglio radiale". Ad esempio: VC = 40-60 m / min, fz = 0.08-0 mm / z, profondità di taglio radiale ae = 5% -10% del diametro dell'utensile, profondità di taglio assiale ap≤1,5D. Il refrigerante ad alta pressione (oltre 70 bar) influisce direttamente sulla faccia del rastrello dal foro freddo dell'utensile, che può ridurre la temperatura della zona di taglio di oltre 200 ° C.
3,2 per Inconel 718
La velocità di taglio è strettamente controllata a 25-35 m / min e la fresatura cicloidale viene utilizzata per evitare bruschi cambiamenti nell'arco di taglio. Il raffreddamento ad alta pressione (HPC) è essenziale e il raffreddamento a bassa temperatura (da -30 ° C a -70 ° C) con azoto liquido o anidride carbonica può essere utilizzato in condizioni che possono aumentare la durata dell'utensile di 2-3 volte.
3,3 Per CFRP
Utilizzare la fresatura ad alta velocità (VC = 200-400m / min), fresando per evitare la delaminazione del tagliente. Utilizzare piastre di supporto sacrificali o legno pad sotto il pezzo. Gli strumenti PCD sono preferiti e ogni lama viene alimentata 0.03-0. 06mm.
IV. Caso: Fresatura di caso di aviazione Inconel 718
Le parti sono involucro anulare, spessore della parete 2,5 mm, materiale Inconel 718. L'utensile di lavorazione tradizionale viene cambiato ogni 15 minuti e il tasso di scarto è dell '8%. Viene invece utilizzato il seguente schema: Coltello in metallo duro integrale rivestito AlTiN Ø 12 mm, VC = 30 m / min, fz = 0,05 mm / z, profondità di taglio radiale 0,8 mm, percorso cicloidale, refrigerante ad alta pressione 80 bar. La durata dell'utensile è aumentata a 55 minuti e l'intero profilo esterno dell'involucro viene lavorato solo due volte e il tasso di scarto viene ridotto al 2,5%. Il test di stress residuo superficiale mostra che la superficie è in uno stato di stress compressivo, che soddisfa i requisiti degli standard aeronautici.
Quinto, tecnologia all'avanguardia di elaborazione mista
Il taglio laser assistito (LAM) utilizza laser ad alta energia per ammorbidire istantaneamente i materiali nella zona di taglio, riducendo la forza di taglio di Inconel 718 di oltre il 50%, consentendo di aumentare la velocità di taglio a 80 m / min. Le tecnologie di raffreddamento a bassa temperatura (azoto liquido che passa attraverso il foro interno dell'utensile) sono già disponibili in commercio. Queste tecnologie ripristineranno l'economia di lavorazione dei difficult-to-machine materiali.
BQUQ è un esperto di produzione CNC professionale, ti preghiamo di inviarci i disegni e la nostra azienda ti citerà entro 12 ore.
