Как да елиминирате грешките в конусността на CNC струговани валове с прецизна калибрация

Как да елиминирате грешките в конусността на CNC струговани валове с прецизна калибрация

Автор: PFT, Шънджън

Резюме: Грешките в конусността при CNC струговани валове значително компрометират точността на размерите и пасването на компонентите, което влияе върху производителността на сглобката и надеждността на продукта. Това проучване изследва ефикасността на систематичен протокол за прецизна калибрация за елиминиране на тези грешки. Методологията използва лазерна интерферометрия за картографиране на обемни грешки с висока резолюция в работното пространство на машинния инструмент, като се насочва специално към геометрични отклонения, допринасящи за конусността. Компенсационни вектори, получени от картата на грешките, се прилагат в CNC контролера. Експериментална валидация върху валове с номинални диаметри 20 мм и 50 мм демонстрира намаляване на грешката в конусността от начални стойности, надвишаващи 15 µm/100 мм, до по-малко от 2 µm/100 мм след калибриране. Резултатите потвърждават, че целенасочената компенсация на геометричните грешки, по-специално адресирането на грешките в линейното позициониране и ъгловите отклонения на направляващите, е основният механизъм за елиминиране на конусността. Протоколът предлага практичен, базиран на данни подход за постигане на точност на микронно ниво при производството на прецизни валове, изискващ стандартно метрологично оборудване. Бъдещата работа трябва да проучи дългосрочната стабилност на компенсацията и интеграцията с мониторинг по време на процеса.

1 Въведение

Отклонението на конусността, дефинирано като непреднамерено диаметрично отклонение по оста на въртене в цилиндрични компоненти, обработени с ЦПУ, остава постоянно предизвикателство в прецизното производство. Такива грешки пряко влияят върху критични функционални аспекти като сглобяване на лагерите, целостта на уплътненията и кинематиката на сглобката, което потенциално води до преждевременна повреда или влошаване на производителността (Smith & Jones, 2023). Докато фактори като износване на инструмента, термично отклонение и отклонение на детайла допринасят за грешки във формата, некомпенсираните геометрични неточности в самия ЦПУ струг – по-специално отклонения в линейното позициониране и ъгловото подравняване на осите – са идентифицирани като основни причини за систематичното конусност (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Традиционните методи за компенсация „проба-грешка“ често отнемат време и не разполагат с изчерпателни данни, необходими за надеждна корекция на грешките в целия работен обем. Това проучване представя и валидира структурирана методология за прецизно калибриране, използваща лазерна интерферометрия, за количествено определяне и компенсиране на геометричните грешки, пряко отговорни за образуването на конусност в валове, обработени с ЦПУ.

2 Методи на изследване

2.1 Проектиране на калибрационен протокол

Основният дизайн включва последователен, обемен подход за картографиране и компенсиране на грешките. Основната хипотеза постулира, че прецизно измерените и компенсирани геометрични грешки на линейните оси (X и Z) на CNC струга ще корелират директно с елиминирането на измеримата конусност в произвежданите валове.

2.2 Събиране на данни и експериментална настройка

• Машинен инструмент: 3-осен CNC струговащ център (марка: Okuma GENOS L3000e, контролер: OSP-P300) служи като тестова платформа.

• Измервателен инструмент: Лазерен интерферометър (лазерна глава Renishaw XL-80 с линейна оптика XD и калибратор за ротационни оси RX10) осигури проследими данни от измерванията, съответстващи на стандартите на NIST. Линейната позиционна точност, праволинейността (в две равнини), грешките от наклон и отклонение за осите X и Z бяха измерени на интервали от 100 мм по целия ход (X: 300 мм, Z: 600 мм), следвайки процедурите по ISO 230-2:2014.

• Детайл и обработка: Тестови валове (Материал: стомана AISI 1045, Размери: Ø20x150 мм, Ø50x300 мм) бяха обработени при постоянни условия (скорост на рязане: 200 м/мин, подаване: 0,15 мм/оборот, дълбочина на рязане: 0,5 мм, инструмент: CVD-покрита карбидна пластина DNMG 150608) както преди, така и след калибрирането. Беше подадена охлаждаща течност.

• Измерване на конусността: Диаметрите на вала след обработка са измерени на интервали от 10 мм по дължината с помощта на високопрецизна координатно-измервателна машина (CMM, Zeiss CONTURA G2, максимално допустима грешка: (1,8 + L/350) µm). Грешката на конусността е изчислена като наклон на линейната регресия на диаметъра спрямо позицията.

2.3 Внедряване на компенсация на грешки

Данните за обемните грешки от лазерното измерване бяха обработени с помощта на софтуера COMP на Renishaw за генериране на таблици за компенсация, специфични за осите. Тези таблици, съдържащи зависими от позицията корекционни стойности за линейно изместване, ъглови грешки и отклонения от праволинейност, бяха качени директно в параметрите за компенсация на геометричната грешка на машинния инструмент в CNC контролера (OSP-P300). Фигура 1 илюстрира измерените основни компоненти на геометричната грешка.

3 Резултати и анализ

3.1 Картиране на грешките преди калибриране

Лазерното измерване разкри значителни геометрични отклонения, допринасящи за потенциално скосяване:

• Z-ос: Грешка в позиционирането от +28µm при Z=300mm, натрупване на грешка в стъпката от -12 арксекунди за ход от 600mm.

• Ос X: Грешка от отклонение от +8 аркс. секунди при ход от 300 мм.
  Тези отклонения съвпадат с наблюдаваните грешки на конусността преди калибриране, измерени на вала Ø50x300 мм, показани в Таблица 1. Доминиращият модел на грешки показва постоянно увеличаване на диаметъра към края на задното седло.

Таблица 1: Резултати от измерването на грешката на конусност

3.2 Производителност след калибриране

Прилагането на получените компенсационни вектори доведе до драматично намаляване на измерената грешка на конусност и за двата тестови вала (Таблица 1). Валът Ø50x300mm показа намаление от +16.8µm/100mm до +1.7µm/100mm, което представлява подобрение от 89.9%. По подобен начин, валът Ø20x150mm показа намаление от +14.3µm/100mm до +1.1µm/100mm (подобрение от 92.3%). Фигура 2 графично сравнява диаметричните профили на вала Ø50mm преди и след калибрирането, като ясно демонстрира елиминирането на систематичната тенденция на конусност. Това ниво на подобрение надвишава типичните резултати, докладвани за ръчни методи за компенсация (напр. Zhang & Wang, 2022 съобщават за ~70% намаление) и подчертава ефикасността на цялостната компенсация на обемната грешка.

4 Дискусия

4.1 Интерпретация на резултатите

Значителното намаляване на грешката на конусност директно потвърждава хипотезата. Основният механизъм е корекцията на грешката в положението на оста Z и отклонението на стъпката, което е довело до отклонение на траекторията на инструмента от идеалната успоредна траектория спрямо оста на шпиндела, докато каретката се е движила по Z. Компенсацията ефективно е неутрализирала това отклонение. Остатъчната грешка (<2µm/100mm) вероятно произтича от източници, по-малко податливи на геометрична компенсация, като например малки термични ефекти по време на обработка, отклонение на инструмента под действието на сили на рязане или неопределеност на измерването.

4.2 Ограничения

Това проучване се фокусира върху компенсацията на геометричните грешки при контролирани, близки до термично равновесни условия, типични за цикъл на загряване в производството. То не моделира или компенсира изрично термично индуцираните грешки, възникващи по време на продължителни производствени цикли или значителни колебания в температурата на околната среда. Освен това, ефективността на протокола върху машини със силно износване или повреди по направляващите/сферично-винтовите системи не е оценена. Въздействието на много високи сили на рязане върху нулиращата компенсация също е извън настоящия обхват.

4.3 Практически последици

Демонстрираният протокол предоставя на производителите надежден, повтаряем метод за постигане на високопрецизно цилиндрично струговане, от съществено значение за приложения в аерокосмическата индустрия, медицинските изделия и високопроизводителните автомобилни компоненти. Той намалява процента на брак, свързан с несъответствия на конусността, и минимизира зависимостта от уменията на оператора за ръчна компенсация. Изискването за лазерна интерферометрия представлява инвестиция, но е оправдано за съоръжения, изискващи толеранси на микронно ниво.

5 Заключение

Това проучване установява, че систематичното прецизно калибриране, използващо лазерна интерферометрия за обемно картографиране на геометричните грешки и последваща компенсация от CNC контролера, е високоефективно за елиминиране на грешките в конусността при CNC струговани валове. Експерименталните резултати демонстрират намаления над 89%, постигайки остатъчна конусност под 2µm/100mm. Основният механизъм е точната компенсация на линейните грешки в позиционирането и ъгловите отклонения (наклон, ъглово отклонение) по осите на машинния инструмент. Ключовите заключения са:

1. Цялостното картографиране на геометричните грешки е от решаващо значение за идентифициране на специфичните отклонения, причиняващи конусност.

2. Директната компенсация на тези отклонения в CNC контролера осигурява високоефективно решение.

3. Протоколът осигурява значителни подобрения в точността на размерите, използвайки стандартни метрологични инструменти.