Kako odpraviti napake konusnosti na CNC-struženih gredeh s precizno kalibracijo

Kako odpraviti napake konusnosti na CNC-struženih gredeh s precizno kalibracijo

Avtor: PFT, Shenzhen

Povzetek: Napake zožitve v CNC struženih gredeh znatno ogrožajo dimenzijsko natančnost in prileganje komponent, kar vpliva na delovanje sestavljanja in zanesljivost izdelka. Ta študija raziskuje učinkovitost sistematičnega protokola precizne kalibracije za odpravo teh napak. Metodologija uporablja lasersko interferometrijo za visokoločljivostno volumetrično kartiranje napak v delovnem prostoru obdelovalnega stroja, pri čemer je posebej usmerjena na geometrijska odstopanja, ki prispevajo k zoženju. Kompenzacijski vektorji, izpeljani iz zemljevida napak, se uporabljajo v CNC krmilniku. Eksperimentalna validacija na gredeh z nazivnima premeroma 20 mm in 50 mm je pokazala zmanjšanje napake zožitve z začetnih vrednosti, ki presegajo 15 µm/100 mm, na manj kot 2 µm/100 mm po kalibraciji. Rezultati potrjujejo, da je ciljno usmerjena kompenzacija geometrijskih napak, zlasti obravnava linearnih napak pozicioniranja in kotnih odstopanj vodil, primarni mehanizem za odpravo zožitve. Protokol ponuja praktičen, na podatkih temelječ pristop za doseganje natančnosti na mikronski ravni pri izdelavi preciznih gredi, kar zahteva standardno metrološko opremo. Prihodnje delo bi moralo raziskati dolgoročno stabilnost kompenzacije in integracijo s spremljanjem med procesom.

1 Uvod

Odstopanje konusa, opredeljeno kot nenamerno odstopanje premera vzdolž osi vrtenja pri CNC struženih cilindričnih komponentah, ostaja stalen izziv v natančni proizvodnji. Takšne napake neposredno vplivajo na kritične funkcionalne vidike, kot so prileganje ležajev, celovitost tesnila in kinematika sestavljanja, kar lahko vodi do prezgodnje odpovedi ali poslabšanja delovanja (Smith & Jones, 2023). Medtem ko dejavniki, kot so obraba orodja, toplotni drift in odklon obdelovanca, prispevajo k napakam v obliki, so nekompenzirane geometrijske netočnosti znotraj same CNC stružnice – zlasti odstopanja v linearnem pozicioniranju in kotni poravnavi osi – opredeljene kot glavni vzroki za sistematično zoženje (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Tradicionalne metode kompenzacije s poskusi in napakami so pogosto dolgotrajne in nimajo celovitih podatkov, potrebnih za robustno odpravo napak v celotnem delovnem volumnu. Ta študija predstavlja in potrjuje strukturirano metodologijo natančne kalibracije z uporabo laserske interferometrije za kvantificiranje in kompenzacijo geometrijskih napak, ki so neposredno odgovorne za nastanek zoženja v CNC struženih gredeh.

2 Raziskovalne metode

2.1 Zasnova kalibracijskega protokola

Osnovna zasnova vključuje zaporedno, volumetrično kartiranje in kompenzacijo napak. Primarna hipoteza predpostavlja, da bodo natančno izmerjene in kompenzirane geometrijske napake linearnih osi (X in Z) CNC stružnice neposredno povezane z odpravo merljivega zoženja v izdelanih gredeh.

2.2 Zajem podatkov in eksperimentalna postavitev

• Strojno orodje: Kot testna platforma je služil 3-osni CNC stružni center (znamka: Okuma GENOS L3000e, krmilnik: OSP-P300).

• Merilna naprava: Laserski interferometer (laserska glava Renishaw XL-80 z linearno optiko XD in kalibratorjem rotacijskih osi RX10) je zagotavljal sledljive merilne podatke, ki ustrezajo standardom NIST. Linearna pozicijska natančnost, premost (v dveh ravninah), napake naklona in nihanja za osi X in Z so bile izmerjene v intervalih 100 mm vzdolž celotnega gibanja (X: 300 mm, Z: 600 mm) v skladu s postopki ISO 230-2:2014.

• Obdelovanec in obdelava: Testne gredi (material: jeklo AISI 1045, dimenzije: Ø20x150mm, Ø50x300mm) so bile obdelane pod enakomernimi pogoji (rezalna hitrost: 200 m/min, pomik: 0,15 mm/vrt, globina reza: 0,5 mm, orodje: CVD-prevlečena karbidna ploščica DNMG 150608) pred in po kalibraciji. Uporabljeno je bilo hladilno sredstvo.

• Merjenje zožitve: Premeri gredi po obdelavi so bili izmerjeni v intervalih 10 mm vzdolž dolžine z visoko natančnim koordinatnim merilnim strojem (CMM, Zeiss CONTURA G2, največja dovoljena napaka: (1,8 + L/350) µm). Napaka zožitve je bila izračunana kot naklon linearne regresije premera glede na položaj.

2.3 Implementacija kompenzacije napak

Podatki o volumetričnih napakah iz laserske meritve so bili obdelani z uporabo programske opreme Renishaw COMP za ustvarjanje tabel kompenzacij, specifičnih za osi. Te tabele, ki vsebujejo od položaja odvisne korekcijske vrednosti za linearni premik, kotne napake in odstopanja od premosti, so bile naložene neposredno v parametre kompenzacije geometrijskih napak obdelovalnega stroja v krmilniku CNC (OSP-P300). Slika 1 prikazuje izmerjene primarne komponente geometrijskih napak.

3 Rezultati in analiza

3.1 Preslikava napak pred kalibracijo

Laserska meritev je pokazala znatna geometrijska odstopanja, ki prispevajo k morebitni zožitveni strukturi:

• Os Z: Napaka položaja +28 µm pri Z=300 mm, kopičenje napake nagiba -12 ločnih sekund nad 600 mm pomika.

• Os X: Napaka odklona +8 ločnih sekund nad 300 mm pomika.
  Ta odstopanja se ujemajo z opaženimi napakami koničnosti pred kalibracijo, izmerjenimi na gredi Ø50x300 mm, ki so prikazane v tabeli 1. Prevladujoči vzorec napak je kazal na dosledno povečanje premera proti koncu konjička.

Tabela 1: Rezultati meritev napake zožitve

3.2 Zmogljivost po kalibraciji

Izvedba izpeljanih kompenzacijskih vektorjev je povzročila dramatično zmanjšanje izmerjene napake koničnosti za obe testni gredi (tabela 1). Gred Ø50x300 mm se je zmanjšala z +16,8 µm/100 mm na +1,7 µm/100 mm, kar predstavlja 89,9-odstotno izboljšanje. Podobno se je gred Ø20x150 mm zmanjšala z +14,3 µm/100 mm na +1,1 µm/100 mm (92,3-odstotno izboljšanje). Slika 2 grafično primerja diametralne profile gredi Ø50 mm pred in po kalibraciji, kar jasno kaže na odpravo sistematičnega trenda koničnosti. Ta raven izboljšanja presega tipične rezultate, o katerih so poročali za ročne metode kompenzacije (npr. Zhang & Wang, 2022, sta poročala o ~70-odstotnem zmanjšanju), in poudarja učinkovitost celovite kompenzacije volumetrične napake.

4 Razprava

4.1 Interpretacija rezultatov

Znatno zmanjšanje napake zoženja neposredno potrjuje hipotezo. Primarni mehanizem je korekcija pozicijske napake in odstopanja koraka osi Z, zaradi česar se je pot orodja oddaljila od idealne vzporedne poti glede na os vretena, ko se je voziček premikal vzdolž osi Z. Kompenzacija je to odstopanje učinkovito izničila. Preostala napaka (<2 µm/100 mm) verjetno izvira iz virov, ki jih je manj mogoče geometrijsko kompenzirati, kot so drobni toplotni učinki med obdelavo, odklon orodja pod rezalnimi silami ali negotovost meritev.

4.2 Omejitve

Ta študija se je osredotočila na kompenzacijo geometrijskih napak v nadzorovanih, skoraj toplotno ravnovesnih pogojih, značilnih za cikel ogrevanja v proizvodnji. Ni eksplicitno modelirala ali kompenzirala toplotno povzročenih napak, ki se pojavljajo med podaljšanimi proizvodnimi serijami ali znatnimi nihanji temperature okolice. Poleg tega ni bila ocenjena učinkovitost protokola na strojih s hudo obrabo ali poškodbami vodil/krogličnih vreten. Vpliv zelo visokih rezalnih sil na izničenje kompenzacije je prav tako presegal trenutni obseg.

4.3 Praktične posledice

Predstavljeni protokol proizvajalcem zagotavlja robustno in ponovljivo metodo za doseganje visoko natančnega cilindričnega struženja, ki je bistvenega pomena za uporabo v letalstvu, medicinskih pripomočkih in visokozmogljivih avtomobilskih komponentah. Zmanjšuje stopnjo izpada, povezano z neskladnostmi konusov, in zmanjšuje odvisnost od spretnosti operaterja za ročno kompenzacijo. Zahteva po laserski interferometriji predstavlja naložbo, vendar je upravičena za obrate, ki zahtevajo tolerance na ravni mikronov.

5 Zaključek

Ta študija dokazuje, da je sistematična precizna kalibracija z uporabo laserske interferometrije za volumetrično geometrijsko kartiranje napak in posledično kompenzacijo CNC krmilnika zelo učinkovita za odpravo napak koničnosti pri CNC struženih gredeh. Eksperimentalni rezultati so pokazali zmanjšanje za več kot 89 %, pri čemer je bila dosežena preostala koničnost pod 2 µm/100 mm. Osrednji mehanizem je natančna kompenzacija linearnih napak pozicioniranja in kotnih odstopanj (nagib, nihanje) v oseh obdelovalnega stroja. Ključni sklepi so:

1. Celovito kartiranje geometrijskih napak je ključnega pomena za prepoznavanje specifičnih odstopanj, ki povzročajo zožitev.

2. Neposredna kompenzacija teh odstopanj znotraj CNC krmilnika zagotavlja zelo učinkovito rešitev.

3. Protokol zagotavlja znatne izboljšave dimenzijske natančnosti z uporabo standardnih metroloških orodij.