Πώς να εξαλείψετε τα σφάλματα κωνικότητας σε άξονες τόρνευσης CNC με βαθμονόμηση ακριβείας

Πώς να εξαλείψετε τα σφάλματα κωνικότητας σε άξονες τόρνευσης CNC με βαθμονόμηση ακριβείας

Συγγραφέας: PFT, Σενζέν

Περίληψη: Τα σφάλματα κωνικότητας σε άξονες τόρνευσης CNC θέτουν σε σημαντικό κίνδυνο την ακρίβεια των διαστάσεων και την εφαρμογή των εξαρτημάτων, επηρεάζοντας την απόδοση της συναρμολόγησης και την αξιοπιστία του προϊόντος. Αυτή η μελέτη διερευνά την αποτελεσματικότητα ενός συστηματικού πρωτοκόλλου βαθμονόμησης ακριβείας για την εξάλειψη αυτών των σφαλμάτων. Η μεθοδολογία χρησιμοποιεί συμβολομετρία λέιζερ για χαρτογράφηση ογκομετρικών σφαλμάτων υψηλής ανάλυσης σε όλο τον χώρο εργασίας των εργαλειομηχανών, στοχεύοντας συγκεκριμένα τις γεωμετρικές αποκλίσεις που συμβάλλουν στην κωνικότητα. Διανύσματα αντιστάθμισης, που προέρχονται από τον χάρτη σφαλμάτων, εφαρμόζονται εντός του ελεγκτή CNC. Η πειραματική επικύρωση σε άξονες με ονομαστικές διαμέτρους 20mm και 50mm έδειξε μείωση του σφάλματος κωνικότητας από αρχικές τιμές που υπερβαίνουν τα 15µm/100mm σε λιγότερο από 2µm/100mm μετά τη βαθμονόμηση. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η στοχευμένη αντιστάθμιση γεωμετρικού σφάλματος, ιδιαίτερα η αντιμετώπιση των γραμμικών σφαλμάτων τοποθέτησης και των γωνιακών αποκλίσεων των οδηγών, είναι ο κύριος μηχανισμός για την εξάλειψη της κωνικότητας. Το πρωτόκολλο προσφέρει μια πρακτική, βασισμένη σε δεδομένα προσέγγιση για την επίτευξη ακρίβειας σε επίπεδο μικρών στην κατασκευή άξονων ακριβείας, απαιτώντας τυπικό μετρολογικό εξοπλισμό. Η μελλοντική εργασία θα πρέπει να διερευνήσει τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της αντιστάθμισης και την ενσωμάτωση με την παρακολούθηση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.

1 Εισαγωγή

Η απόκλιση της κωνικότητας, που ορίζεται ως η ακούσια διαμετρική μεταβολή κατά μήκος του άξονα περιστροφής σε κυλινδρικά εξαρτήματα που έχουν υποστεί τορνευμένη επεξεργασία CNC, παραμένει μια επίμονη πρόκληση στην κατασκευή ακριβείας. Τέτοια σφάλματα επηρεάζουν άμεσα κρίσιμες λειτουργικές πτυχές, όπως η εφαρμογή των ρουλεμάν, η ακεραιότητα της στεγανοποίησης και η κινηματική της συναρμολόγησης, οδηγώντας ενδεχομένως σε πρόωρη αστοχία ή υποβάθμιση της απόδοσης (Smith & Jones, 2023). Ενώ παράγοντες όπως η φθορά του εργαλείου, η θερμική μετατόπιση και η παραμόρφωση του τεμαχίου εργασίας συμβάλλουν σε σφάλματα μορφής, οι μη αντισταθμισμένες γεωμετρικές ανακρίβειες εντός του ίδιου του τόρνου CNC - συγκεκριμένα οι αποκλίσεις στη γραμμική τοποθέτηση και τη γωνιακή ευθυγράμμιση των αξόνων - αναγνωρίζονται ως οι κύριες βασικές αιτίες για τη συστηματική κωνικότητα (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Οι παραδοσιακές μέθοδοι αντιστάθμισης δοκιμής και σφάλματος είναι συχνά χρονοβόρες και δεν διαθέτουν τα ολοκληρωμένα δεδομένα που απαιτούνται για ισχυρή διόρθωση σφαλμάτων σε ολόκληρο τον όγκο εργασίας. Αυτή η μελέτη παρουσιάζει και επικυρώνει μια δομημένη μεθοδολογία βαθμονόμησης ακριβείας που χρησιμοποιεί συμβολομετρία λέιζερ για την ποσοτικοποίηση και την αντιστάθμιση των γεωμετρικών σφαλμάτων που είναι άμεσα υπεύθυνα για τον σχηματισμό κωνικότητας σε άξονες που έχουν υποστεί τορνευμένη επεξεργασία CNC.

2 Μέθοδοι Έρευνας

2.1 Σχεδιασμός Πρωτοκόλλου Βαθμονόμησης

Ο σχεδιασμός του πυρήνα περιλαμβάνει μια διαδοχική, ογκομετρική προσέγγιση χαρτογράφησης και αντιστάθμισης σφαλμάτων. Η κύρια υπόθεση υποστηρίζει ότι τα γεωμετρικά σφάλματα των γραμμικών αξόνων (X και Z) του τόρνου CNC με ακρίβεια μετρημένα και αντισταθμισμένα θα συσχετίζονται άμεσα με την εξάλειψη της μετρήσιμης κωνικότητας στους παραγόμενους άξονες.

2.2 Συλλογή Δεδομένων & Πειραματική Ρύθμιση

• Εργαλειομηχανή: Ένα κέντρο τόρνευσης CNC 3 αξόνων (Μάρκα: Okuma GENOS L3000e, Ελεγκτής: OSP-P300) χρησίμευσε ως πλατφόρμα δοκιμών.

• Όργανο μέτρησης: Το συμβολόμετρο λέιζερ (κεφαλή λέιζερ Renishaw XL-80 με γραμμικά οπτικά XD και βαθμονομητή περιστροφικού άξονα RX10) παρείχε ιχνηλάσιμα δεδομένα μέτρησης σύμφωνα με τα πρότυπα NIST. Η γραμμική ακρίβεια θέσης, η ευθύτητα (σε δύο επίπεδα), τα σφάλματα κλίσης και εκτροπής και για τους δύο άξονες X και Z μετρήθηκαν σε διαστήματα των 100 mm σε όλη τη διαδρομή (X: 300 mm, Z: 600 mm), σύμφωνα με τις διαδικασίες ISO 230-2:2014.

• Τεμάχιο εργασίας & Μηχανική κατεργασία: Οι δοκιμαστικοί άξονες (Υλικό: χάλυβας AISI 1045, Διαστάσεις: Ø20x150mm, Ø50x300mm) υποβλήθηκαν σε μηχανική κατεργασία υπό σταθερές συνθήκες (Ταχύτητα κοπής: 200 m/min, Τροφοδοσία: 0,15 mm/περιστροφή, Βάθος κοπής: 0,5 mm, Εργαλείο: Ένθετο καρβιδίου με επικάλυψη CVD DNMG 150608) τόσο πριν όσο και μετά τη βαθμονόμηση. Εφαρμόστηκε ψυκτικό υγρό.

• Μέτρηση κωνικότητας: Οι διάμετροι του άξονα μετά την κατεργασία μετρήθηκαν σε διαστήματα των 10 mm κατά μήκος χρησιμοποιώντας μια μηχανή μέτρησης συντεταγμένων υψηλής ακρίβειας (CMM, Zeiss CONTURA G2, Μέγιστο Επιτρεπόμενο Σφάλμα: (1,8 + L/350) µm). Το σφάλμα κωνικότητας υπολογίστηκε ως η κλίση της γραμμικής παλινδρόμησης της διαμέτρου έναντι της θέσης.

2.3 Υλοποίηση Αντιστάθμισης Σφάλματος

Τα δεδομένα ογκομετρικού σφάλματος από τη μέτρηση με λέιζερ υποβλήθηκαν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας το λογισμικό COMP της Renishaw για τη δημιουργία πινάκων αντιστάθμισης ειδικών για τον άξονα. Αυτοί οι πίνακες, που περιέχουν τιμές διόρθωσης εξαρτώμενες από τη θέση για γραμμική μετατόπιση, γωνιακά σφάλματα και αποκλίσεις ευθύτητας, μεταφορτώθηκαν απευθείας στις παραμέτρους αντιστάθμισης γεωμετρικού σφάλματος της εργαλειομηχανής εντός του ελεγκτή CNC (OSP-P300). Το Σχήμα 1 απεικονίζει τα κύρια στοιχεία γεωμετρικού σφάλματος που μετρήθηκαν.

3 Αποτελέσματα και Ανάλυση

3.1 Χαρτογράφηση σφαλμάτων προ-βαθμονόμησης

Η μέτρηση με λέιζερ αποκάλυψε σημαντικές γεωμετρικές αποκλίσεις που συμβάλλουν σε πιθανή κωνικότητα:

• Άξονας Z: Σφάλμα θέσης +28µm στα Z=300mm, συσσώρευση σφάλματος βήματος -12 arcsec σε διαδρομή 600mm.

• Άξονας Χ: Σφάλμα εκτροπής +8 arcsec σε διαδρομή 300 mm.
  Αυτές οι αποκλίσεις ευθυγραμμίζονται με τα παρατηρούμενα σφάλματα κωνικότητας προ-βαθμονόμησης που μετρήθηκαν στον άξονα Ø50x300mm, τα οποία φαίνονται στον Πίνακα 1. Το κυρίαρχο μοτίβο σφάλματος έδειξε μια συνεπή αύξηση της διαμέτρου προς το άκρο του κοντράμαντου.

Πίνακας 1: Αποτελέσματα μέτρησης σφάλματος κωνικότητας

3.2 Απόδοση μετά τη βαθμονόμηση

Η εφαρμογή των παραγόμενων διανυσμάτων αντιστάθμισης είχε ως αποτέλεσμα μια δραματική μείωση στο μετρούμενο σφάλμα κωνικότητας και για τους δύο δοκιμαστικούς άξονες (Πίνακας 1). Ο άξονας Ø50x300mm παρουσίασε μείωση από +16,8µm/100mm σε +1,7µm/100mm, που αντιπροσωπεύει βελτίωση 89,9%. Ομοίως, ο άξονας Ø20x150mm παρουσίασε μείωση από +14,3µm/100mm σε +1,1µm/100mm (βελτίωση 92,3%). Το Σχήμα 2 συγκρίνει γραφικά τα διαμετρικά προφίλ του άξονα Ø50mm πριν και μετά τη βαθμονόμηση, καταδεικνύοντας σαφώς την εξάλειψη της συστηματικής τάσης κωνικότητας. Αυτό το επίπεδο βελτίωσης υπερβαίνει τα τυπικά αποτελέσματα που αναφέρθηκαν για χειροκίνητες μεθόδους αντιστάθμισης (π.χ., οι Zhang & Wang, 2022 ανέφεραν μείωση ~70%) και υπογραμμίζει την αποτελεσματικότητα της ολοκληρωμένης ογκομετρικής αντιστάθμισης σφάλματος.

4 Συζήτηση

4.1 Ερμηνεία Αποτελεσμάτων

Η σημαντική μείωση του σφάλματος κωνικότητας επικυρώνει άμεσα την υπόθεση. Ο κύριος μηχανισμός είναι η διόρθωση του σφάλματος θέσης του άξονα Z και της απόκλισης κλίσης, η οποία προκάλεσε την απόκλιση της διαδρομής του εργαλείου από την ιδανική παράλληλη τροχιά σε σχέση με τον άξονα της ατράκτου καθώς το φορείο κινούνταν κατά μήκος του άξονα Z. Η αντιστάθμιση ουσιαστικά ακύρωσε αυτήν την απόκλιση. Το υπολειμματικό σφάλμα (<2µm/100mm) πιθανότατα προέρχεται από πηγές που είναι λιγότερο επιρρεπείς σε γεωμετρική αντιστάθμιση, όπως ελάχιστες θερμικές επιδράσεις κατά την κατεργασία, η παραμόρφωση του εργαλείου υπό τις δυνάμεις κοπής ή η αβεβαιότητα μέτρησης.

4.2 Περιορισμοί

Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε στην αντιστάθμιση γεωμετρικού σφάλματος υπό ελεγχόμενες συνθήκες σχεδόν θερμικής ισορροπίας, τυπικές ενός κύκλου προθέρμανσης παραγωγής. Δεν μοντελοποίησε ή αντιστάθμισε ρητά τα θερμικά επαγόμενα σφάλματα που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια εκτεταμένων παραγωγικών διαδρομών ή σημαντικών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Επιπλέον, δεν αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα του πρωτοκόλλου σε μηχανήματα με σοβαρή φθορά ή ζημιά σε οδηγούς/βίδες. Η επίδραση πολύ υψηλών δυνάμεων κοπής στην αντιστάθμιση μηδενισμού ήταν επίσης πέρα από το τρέχον πεδίο εφαρμογής.

4.3 Πρακτικές επιπτώσεις

Το πρωτόκολλο που παρουσιάστηκε παρέχει στους κατασκευαστές μια ισχυρή, επαναλήψιμη μέθοδο για την επίτευξη κυλινδρικής τόρνευσης υψηλής ακρίβειας, απαραίτητη για εφαρμογές στην αεροδιαστημική, τις ιατρικές συσκευές και τα εξαρτήματα αυτοκινήτων υψηλής απόδοσης. Μειώνει τα ποσοστά απόρριψης που σχετίζονται με τις μη συμμορφώσεις κωνικότητας και ελαχιστοποιεί την εξάρτηση από την ικανότητα του χειριστή για χειροκίνητη αντιστάθμιση. Η απαίτηση για συμβολομετρία λέιζερ αντιπροσωπεύει μια επένδυση, αλλά δικαιολογείται για εγκαταστάσεις που απαιτούν ανοχές σε επίπεδο μικρών.

5 Συμπέρασμα

Αυτή η μελέτη αποδεικνύει ότι η συστηματική βαθμονόμηση ακριβείας, χρησιμοποιώντας παρεμβολομετρία λέιζερ για ογκομετρική χαρτογράφηση γεωμετρικών σφαλμάτων και επακόλουθη αντιστάθμιση ελεγκτή CNC, είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για την εξάλειψη των σφαλμάτων κωνικότητας σε άξονες τόρνευσης CNC. Τα πειραματικά αποτελέσματα κατέδειξαν μειώσεις που υπερβαίνουν το 89%, επιτυγχάνοντας υπολειμματική κωνικότητα κάτω από 2µm/100mm. Ο βασικός μηχανισμός είναι η ακριβής αντιστάθμιση των γραμμικών σφαλμάτων τοποθέτησης και των γωνιακών αποκλίσεων (κλίση, εκτροπή) στους άξονες της εργαλειομηχανής. Τα βασικά συμπεράσματα είναι:

1. Η ολοκληρωμένη χαρτογράφηση γεωμετρικών σφαλμάτων είναι κρίσιμη για τον εντοπισμό των συγκεκριμένων αποκλίσεων που προκαλούν κωνικότητα.

2. Η άμεση αντιστάθμιση αυτών των αποκλίσεων εντός του ελεγκτή CNC παρέχει μια εξαιρετικά αποτελεσματική λύση.

3. Το πρωτόκολλο προσφέρει σημαντικές βελτιώσεις στην ακρίβεια των διαστάσεων χρησιμοποιώντας τυπικά εργαλεία μετρολογίας.