Jak wyeliminować błędy stożkowe na wałach toczonych CNC dzięki precyzyjnej kalibracji

Jak wyeliminować błędy stożkowe na wałach toczonych CNC dzięki precyzyjnej kalibracji

Autor: PFT, Shenzhen

Streszczenie: Błędy stożkowe w wałach toczonych CNC znacząco pogarszają dokładność wymiarową i dopasowanie komponentów, wpływając na wydajność montażu i niezawodność produktu. Niniejsze badanie analizuje skuteczność systematycznego protokołu precyzyjnej kalibracji w celu eliminacji tych błędów. Metodologia wykorzystuje interferometrię laserową do mapowania błędów objętościowych o wysokiej rozdzielczości w całym obszarze roboczym obrabiarki, ze szczególnym uwzględnieniem odchyleń geometrycznych przyczyniających się do stożkowatości. Wektory kompensacji, uzyskane z mapy błędów, są stosowane w sterowniku CNC. Walidacja eksperymentalna na wałach o średnicach nominalnych 20 mm i 50 mm wykazała redukcję błędu stożkowego z wartości początkowych przekraczających 15 µm/100 mm do mniej niż 2 µm/100 mm po kalibracji. Wyniki potwierdzają, że ukierunkowana kompensacja błędów geometrycznych, w szczególności uwzględniająca błędy pozycjonowania liniowego i odchylenia kątowe prowadnic, jest głównym mechanizmem eliminacji stożkowatości. Protokół oferuje praktyczne, oparte na danych podejście do osiągania dokładności na poziomie mikronów w precyzyjnej produkcji wałów, wymagającej standardowego sprzętu metrologicznego. Dalsze prace powinny skupić się na kwestii długoterminowej stabilności wynagrodzeń oraz ich integracji z monitorowaniem procesu.

1 Wprowadzenie

Odchyłka stożkowa, definiowana jako niezamierzona zmiana średnicy wzdłuż osi obrotu w elementach cylindrycznych toczonych CNC, pozostaje stałym wyzwaniem w produkcji precyzyjnej. Takie błędy bezpośrednio wpływają na krytyczne aspekty funkcjonalne, takie jak pasowanie łożysk, integralność uszczelnień i kinematyka zespołu, potencjalnie prowadząc do przedwczesnej awarii lub pogorszenia wydajności (Smith & Jones, 2023). Podczas gdy czynniki takie jak zużycie narzędzi, dryft cieplny i ugięcie przedmiotu obrabianego przyczyniają się do błędów kształtu, nieskompensowane niedokładności geometryczne w samej tokarce CNC – a w szczególności odchylenia w pozycjonowaniu liniowym i kątowym ustawieniu osi – są identyfikowane jako główne przyczyny systematycznej stożkowatości (Chen i in., 2021; Müller & Braun, 2024). Tradycyjne metody kompensacji metodą prób i błędów są często czasochłonne i nie dostarczają kompleksowych danych wymaganych do solidnej korekcji błędów w całym obszarze roboczym. W niniejszym badaniu zaprezentowano i zweryfikowano ustrukturyzowaną metodologię precyzyjnej kalibracji wykorzystującą interferometrię laserową do ilościowego określania i kompensowania błędów geometrycznych bezpośrednio odpowiedzialnych za powstawanie stożków w wałach toczonych CNC.

2 metody badawcze

2.1 Projekt protokołu kalibracji

Podstawowy projekt obejmuje sekwencyjne, objętościowe mapowanie i kompensację błędów. Główna hipoteza zakłada, że precyzyjnie zmierzone i skompensowane błędy geometryczne liniowych osi tokarki CNC (X i Z) będą bezpośrednio korelować z eliminacją mierzalnego stożka w produkowanych wałach.

2.2 Akwizycja danych i konfiguracja eksperymentu

• Obrabiarka: Platformą testową było 3-osiowe centrum tokarskie CNC (producent: Okuma GENOS L3000e, sterownik: OSP-P300).

• Przyrząd pomiarowy: Interferometr laserowy (głowica laserowa Renishaw XL-80 z optyką liniową XD i kalibrator osi obrotowej RX10) dostarczył identyfikowalne dane pomiarowe zgodne ze standardami NIST. Dokładność liniowa położenia, prostoliniowość (w dwóch płaszczyznach), błędy pochylenia i odchylenia dla osi X i Z mierzono w odstępach co 100 mm na całym odcinku ruchu (X: 300 mm, Z: 600 mm), zgodnie z procedurami ISO 230-2:2014.

• Obrabiany przedmiot i obróbka: Wały testowe (materiał: stal AISI 1045, wymiary: Ø20 x 150 mm, Ø50 x 300 mm) poddano obróbce w ustalonych warunkach (prędkość skrawania: 200 m/min, posuw: 0,15 mm/obr., głębokość skrawania: 0,5 mm, narzędzie: płytka z węglika spiekanego z powłoką CVD DNMG 150608) zarówno przed, jak i po kalibracji. Zastosowano chłodziwo.

• Pomiar stożka: Średnice wałów po obróbce skrawaniem mierzono w odstępach co 10 mm wzdłuż długości za pomocą precyzyjnej współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM, Zeiss CONTURA G2, maksymalny dopuszczalny błąd: (1,8 + L/350) µm). Błąd stożka obliczono jako nachylenie regresji liniowej średnicy względem położenia.

2.3 Implementacja kompensacji błędów

Dane o błędach objętościowych z pomiaru laserowego zostały przetworzone za pomocą oprogramowania COMP firmy Renishaw w celu wygenerowania tabel kompensacji dla poszczególnych osi. Tabele te, zawierające zależne od położenia wartości korekcji dla przemieszczenia liniowego, błędów kątowych i odchyleń prostoliniowości, zostały wczytane bezpośrednio do parametrów kompensacji błędów geometrycznych obrabiarki w sterowniku CNC (OSP-P300). Rysunek 1 ilustruje zmierzone główne składowe błędu geometrycznego.

3 Wyniki i analiza

3.1 Mapowanie błędów przed kalibracją

Pomiary laserowe ujawniły znaczące odchylenia geometryczne przyczyniające się do potencjalnego zwężenia:

• Oś Z: błąd położenia +28 µm przy Z=300 mm, akumulacja błędu pochylenia -12 sekund łuku na odcinku 600 mm.

• Oś X: błąd odchylenia +8 sekund łuku na odcinku 300 mm.
  Odchylenia te są zgodne z zaobserwowanymi błędami stożka przed kalibracją zmierzonymi na wale Ø50x300 mm, przedstawionymi w tabeli 1. Dominujący wzór błędów wskazywał na stały wzrost średnicy w kierunku końca konika.

Tabela 1: Wyniki pomiaru błędu stożka

3.2 Wydajność po kalibracji

Wdrożenie wyprowadzonych wektorów kompensacji spowodowało drastyczną redukcję zmierzonego błędu stożka dla obu testowanych wałów (Tabela 1). Wał Ø50 x 300 mm wykazał redukcję z +16,8 µm/100 mm do +1,7 µm/100 mm, co stanowi poprawę o 89,9%. Podobnie, wał Ø20 x 150 mm wykazał redukcję z +14,3 µm/100 mm do +1,1 µm/100 mm (poprawa o 92,3%). Rysunek 2 przedstawia graficzne porównanie profili średnic wału Ø50 mm przed i po kalibracji, wyraźnie demonstrując eliminację systematycznego trendu stożka. Ten poziom poprawy przewyższa typowe wyniki uzyskiwane dla ręcznych metod kompensacji (np. Zhang i Wang, 2022 odnotowali redukcję o ~70%) i podkreśla skuteczność kompleksowej kompensacji błędu objętościowego.

4 Dyskusja

4.1 Interpretacja wyników

Znaczna redukcja błędu stożka bezpośrednio potwierdza tę hipotezę. Głównym mechanizmem jest korekta błędu położenia osi Z i odchylenia skoku, które spowodowały odchylenie ścieżki narzędzia od idealnie równoległej trajektorii względem osi wrzeciona podczas ruchu wózka wzdłuż osi Z. Kompensacja skutecznie zniwelowała tę rozbieżność. Błąd resztkowy (<2 µm/100 mm) prawdopodobnie wynika ze źródeł trudniejszych do kompensacji geometrycznej, takich jak drobne efekty termiczne podczas obróbki, ugięcie narzędzia pod wpływem sił skrawania lub niepewność pomiaru.

4.2 Ograniczenia

W niniejszym badaniu skoncentrowano się na kompensacji błędów geometrycznych w kontrolowanych warunkach zbliżonych do równowagi termicznej, typowych dla cyklu rozgrzewania produkcji. Nie modelowano w nim ani nie kompensowano błędów indukowanych termicznie, występujących podczas wydłużonych cykli produkcyjnych lub znacznych wahań temperatury otoczenia. Ponadto, nie oceniano skuteczności protokołu w przypadku maszyn z poważnym zużyciem lub uszkodzeniem prowadnic/śrub kulowych. Wpływ bardzo dużych sił skrawania na kompensację zerującą również wykraczał poza obecny zakres badań.

4.3 Implikacje praktyczne

Zaprezentowany protokół zapewnia producentom solidną i powtarzalną metodę precyzyjnego toczenia cylindrycznego, niezbędną w zastosowaniach w przemyśle lotniczym, urządzeniach medycznych i wysokowydajnych podzespołach samochodowych. Zmniejsza on liczbę braków związanych z niezgodnością stożka i minimalizuje konieczność ręcznej kompensacji przez operatora. Wymóg stosowania interferometrii laserowej stanowi inwestycję, ale jest uzasadniony w przypadku zakładów wymagających tolerancji rzędu mikronów.

5. Wnioski

Niniejsze badanie dowodzi, że systematyczna, precyzyjna kalibracja, wykorzystująca interferometrię laserową do mapowania objętościowego błędu geometrycznego i późniejszej kompensacji sterownika CNC, jest wysoce skuteczna w eliminowaniu błędów stożkowych w wałach toczonych CNC. Wyniki eksperymentów wykazały redukcję przekraczającą 89%, osiągając stożkowatość resztkową poniżej 2 µm/100 mm. Kluczowym mechanizmem jest dokładna kompensacja liniowych błędów pozycjonowania i odchyleń kątowych (pochylenie, odchylenie) w osiach obrabiarki. Główne wnioski to:

1. Kompleksowe mapowanie błędów geometrycznych ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji konkretnych odchyleń powodujących stożek.

2. Bezpośrednia kompensacja tych odchyleń w sterowniku CNC jest rozwiązaniem niezwykle skutecznym.

3. Protokół zapewnia znaczącą poprawę dokładności wymiarowej przy wykorzystaniu standardowych narzędzi metrologicznych.