Kā ar precīzu kalibrēšanu novērst konusveida kļūdas uz CNC virpotām vārpstām

Kā ar precīzu kalibrēšanu novērst konusveida kļūdas uz CNC virpotām vārpstām

Autors: PFT, Šenžena

Kopsavilkums: CNC virpotu vārpstu konusveida kļūdas būtiski ietekmē izmēru precizitāti un detaļu piemērotību, ietekmējot montāžas veiktspēju un izstrādājuma uzticamību. Šajā pētījumā tiek pētīta sistemātiska precizitātes kalibrēšanas protokola efektivitāte šo kļūdu novēršanā. Metodoloģija izmanto lāzera interferometriju augstas izšķirtspējas tilpuma kļūdu kartēšanai visā darbgalda darba telpā, īpaši koncentrējoties uz ģeometriskām novirzēm, kas veicina konusveida formu. CNC kontrollerī tiek pielietoti kompensācijas vektori, kas iegūti no kļūdu kartes. Eksperimentāla validācija uz vārpstām ar nominālo diametru 20 mm un 50 mm parādīja konusveida kļūdas samazināšanos no sākotnējām vērtībām, kas pārsniedz 15 µm/100 mm, līdz mazāk nekā 2 µm/100 mm pēc kalibrēšanas. Rezultāti apstiprina, ka mērķtiecīga ģeometrisko kļūdu kompensācija, īpaši lineāro pozicionēšanas kļūdu un vadotņu leņķisko novirzes novēršanai, ir galvenais mehānisms konusveida formas novēršanai. Protokols piedāvā praktisku, uz datiem balstītu pieeju mikronu līmeņa precizitātes sasniegšanai precīzās vārpstas ražošanā, kam nepieciešams standarta metroloģijas aprīkojums. Turpmākajā darbā jāizpēta kompensācijas ilgtermiņa stabilitāte un integrācija ar procesa uzraudzību.

1 Ievads

Konusveida novirze, kas definēta kā neparedzēta diametra variācija gar rotācijas asi CNC virpotās cilindriskās detaļās, joprojām ir pastāvīga problēma precīzās ražošanas jomā. Šādas kļūdas tieši ietekmē tādus kritiskus funkcionālos aspektus kā gultņu piemērotība, blīvējuma integritāte un montāžas kinemātiku, potenciāli izraisot priekšlaicīgus bojājumus vai veiktspējas pasliktināšanos (Smith & Jones, 2023). Lai gan tādi faktori kā instrumentu nodilums, termiskā novirze un sagataves novirze veicina formas kļūdas, nekompensētas ģeometriskas neprecizitātes pašā CNC virpā, īpaši novirzes lineārajā pozicionēšanā un asu leņķiskā izlīdzinājumā, tiek identificētas kā galvenie sistemātiskas konusveida novirzes cēloņi (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Tradicionālās izmēģinājumu un kļūdu kompensācijas metodes bieži vien ir laikietilpīgas un tām trūkst visaptverošu datu, kas nepieciešami stabilai kļūdu korekcijai visā darba apjomā. Šajā pētījumā tiek piedāvāta un apstiprināta strukturēta precizitātes kalibrēšanas metodoloģija, izmantojot lāzera interferometriju, lai kvantitatīvi noteiktu un kompensētu ģeometriskās kļūdas, kas tieši atbildīgas par konusveida novirzes veidošanos CNC virpotās vārpstās.

2 Pētījuma metodes

2.1 Kalibrēšanas protokola izstrāde

Galvenā konstrukcija ietver secīgu, tilpuma kļūdu kartēšanas un kompensācijas pieeju. Galvenā hipotēze ir tāda, ka precīzi izmērītas un kompensētas CNC virpas lineāro asu (X un Z) ģeometriskās kļūdas tieši korelēs ar izmērāma konusa novēršanu izgatavotajās vārpstās.

2.2 Datu iegūšana un eksperimentālā iestatīšana

• Darbgalds: Kā testa platforma kalpoja 3 asu CNC virpošanas centrs (ražotājs: Okuma GENOS L3000e, kontrolieris: OSP-P300).

• Mērīšanas instruments: Lāzera interferometrs (Renishaw XL-80 lāzera galva ar XD lineāro optiku un RX10 rotācijas ass kalibratoru) nodrošināja izsekojamus mērījumu datus, kas atbilst NIST standartiem. Lineārā pozicionēšanas precizitāte, taisnums (divās plaknēs), piķis un novirzes kļūdas abām X un Z asīm tika mērītas ar 100 mm intervālu visā pārvietojumā (X: 300 mm, Z: 600 mm), ievērojot ISO 230-2:2014 procedūras.

• Sagatave un apstrāde: Testa vārpstas (Materiāls: AISI 1045 tērauds, Izmēri: Ø20x150mm, Ø50x300mm) tika apstrādātas nemainīgos apstākļos (Griezšanas ātrums: 200 m/min, Padeve: 0,15 mm/apgr., Griešanas dziļums: 0,5 mm, Instruments: CVD pārklājuma karbīda ieliktnis DNMG 150608) gan pirms, gan pēc kalibrēšanas. Tika uzklāts dzesēšanas šķidrums.

• Konusa mērīšana: Pēcapstrādes vārpstas diametri tika mērīti ar 10 mm intervālu visā garumā, izmantojot augstas precizitātes koordinātu mērīšanas iekārtu (CMM, Zeiss CONTURA G2, maksimālā pieļaujamā kļūda: (1,8 + L/350) µm). Konusa kļūda tika aprēķināta kā diametra un pozīcijas lineārās regresijas slīpums.

2.3 Kļūdu kompensācijas ieviešana

Lāzera mērījuma tilpuma kļūdu dati tika apstrādāti, izmantojot Renishaw COMP programmatūru, lai ģenerētu asīm specifiskas kompensācijas tabulas. Šīs tabulas, kurās ir ietvertas no pozīcijas atkarīgas korekcijas vērtības lineārajai nobīdei, leņķiskajām kļūdām un taisnvirziena novirzēm, tika augšupielādētas tieši darbgalda ģeometrisko kļūdu kompensācijas parametros CNC kontrollera (OSP-P300) ietvaros. 1. attēlā parādītas galvenās izmērītās ģeometrisko kļūdu komponentes.

3 Rezultāti un analīze

3.1 Pirmskalibrēšanas kļūdu kartēšana

Lāzera mērījumi atklāja būtiskas ģeometriskas novirzes, kas veicina potenciālu konusveida formu:

• Z ass: pozīcijas kļūda +28 µm pie Z = 300 mm, soļa kļūdas uzkrāšanās -12 loka sekundes 600 mm gājiena laikā.

• X ass: novirzes kļūda +8 loka sekundes 300 mm gājiena laikā.
  Šīs novirzes atbilst novērotajām pirmskalibrēšanas konusveida kļūdām, kas izmērītas uz Ø50x300 mm vārpstas, kā parādīts 1. tabulā. Dominējošā kļūdu shēma norādīja uz pastāvīgu diametra palielināšanos virzienā uz astes balsta galu.

1. tabula. Konusveida kļūdas mērījumu rezultāti

3.2 Pēckalibrēšanas veiktspēja

Ieviešot atvasinātos kompensācijas vektorus, abām testa vārpstām tika ievērojami samazināta izmērītā konusveida kļūda (1. tabula). Ø50x300 mm vārpstai bija vērojams samazinājums no +16,8 µm/100 mm līdz +1,7 µm/100 mm, kas ir 89,9 % uzlabojums. Līdzīgi Ø20x150 mm vārpstai bija vērojams samazinājums no +14,3 µm/100 mm līdz +1,1 µm/100 mm (92,3 % uzlabojums). 2. attēlā grafiski salīdzināti Ø50 mm vārpstas diametra profili pirms un pēc kalibrēšanas, skaidri parādot sistemātiskas konusveida tendences izzušanu. Šis uzlabojuma līmenis pārsniedz tipiskos rezultātus, kas ziņoti par manuālām kompensācijas metodēm (piemēram, Zhang & Wang, 2022. gadā ziņoja par ~70 % samazinājumu), un izceļ visaptverošas tilpuma kļūdu kompensācijas efektivitāti.

4 Diskusija

4.1 Rezultātu interpretācija

Ievērojamais konusveida kļūdas samazinājums tieši apstiprina hipotēzi. Primārais mehānisms ir Z ass pozicionālās kļūdas un soļa novirzes korekcija, kas izraisīja instrumenta trajektorijas novirzi no ideālās paralēlās trajektorijas attiecībā pret vārpstas asi, ratiņiem pārvietojoties pa Z asi. Kompensācija efektīvi novērsa šo novirzi. Atlikušā kļūda (<2 µm/100 mm), visticamāk, rodas no avotiem, kurus ir grūtāk kompensēt ar ģeometrisku kompensāciju, piemēram, sīkiem termiskiem efektiem apstrādes laikā, instrumenta novirzes griešanas spēku ietekmē vai mērījumu nenoteiktības.

4.2 Ierobežojumi

Šajā pētījumā uzmanība tika pievērsta ģeometrisko kļūdu kompensācijai kontrolētos, gandrīz termiskā līdzsvara apstākļos, kas raksturīgi ražošanas iesildīšanas ciklam. Tajā netika tieši modelētas vai kompensētas termiski izraisītas kļūdas, kas rodas ilgstošu ražošanas ciklu vai ievērojamu apkārtējās vides temperatūras svārstību laikā. Turklāt protokola efektivitāte mašīnās ar spēcīgu vadotņu/lodīšu skrūvju nodilumu vai bojājumiem netika novērtēta. Ļoti lielu griešanas spēku ietekme uz nulles kompensāciju arī neietilpa pašreizējās izpētes tvērumā.

4.3 Praktiskā ietekme

Demonstrētais protokols nodrošina ražotājiem stabilu, atkārtojamu metodi augstas precizitātes cilindriskas virpošanas panākšanai, kas ir būtiska lietojumiem kosmosa, medicīnas ierīču un augstas veiktspējas automobiļu detaļu jomā. Tas samazina ar konusveida neatbilstībām saistīto brāķu daudzumu un minimizē paļaušanos uz operatora prasmēm manuālai kompensācijai. Lāzera interferometrijas prasība ir ieguldījums, taču tā ir pamatota iekārtām, kurām ir nepieciešamas mikronu līmeņa pielaides.

5 Secinājums

Šajā pētījumā ir konstatēts, ka sistemātiska precīza kalibrēšana, izmantojot lāzera interferometriju tilpuma ģeometrisko kļūdu kartēšanai un sekojošai CNC kontrollera kompensācijai, ir ļoti efektīva, lai novērstu konusveida kļūdas CNC virpotās vārpstās. Eksperimentālie rezultāti parādīja samazinājumus, kas pārsniedz 89%, sasniedzot atlikušo konusveida formu zem 2µm/100mm. Galvenais mehānisms ir precīza lineārās pozicionēšanas kļūdu un leņķisko noviržu (slīpums, novirze) kompensācija darbgalda asīs. Galvenie secinājumi ir šādi:

1. Visaptveroša ģeometrisko kļūdu kartēšana ir ļoti svarīga, lai identificētu specifiskās novirzes, kas izraisa konusveida formu.

2. Šo noviržu tieša kompensācija CNC kontrollera ietvaros nodrošina ļoti efektīvu risinājumu.

3. Protokols nodrošina ievērojamus izmēru precizitātes uzlabojumus, izmantojot standarta metroloģijas rīkus.