Како да се елиминираат грешките при конусно завртување на CNC стругани вратила со прецизна калибрација

Како да се елиминираат грешките при конусно завртување на CNC стругани вратила со прецизна калибрација

Автор: PFT, Шенжен

Апстракт: Грешките при конусноста кај CNC струганите вратила значително ја нарушуваат димензионалната точност и вклопувањето на компонентите, влијаејќи на перформансите на склопувањето и сигурноста на производот. Оваа студија ја истражува ефикасноста на систематскиот протокол за прецизна калибрација за елиминирање на овие грешки. Методологијата користи ласерска интерферометрија за мапирање на волуметриски грешки со висока резолуција низ работниот простор на машинските алати, поточно таргетирајќи ги геометриските отстапувања што придонесуваат за конусноста. Векторите за компензација, добиени од мапата на грешки, се применуваат во рамките на CNC контролерот. Експерименталната валидација на вратила со номинални дијаметри од 20 mm и 50 mm покажа намалување на грешката при конусноста од почетните вредности што надминуваат 15 µm/100 mm на помалку од 2 µm/100 mm по калибрацијата. Резултатите потврдуваат дека насочената компензација на геометриската грешка, особено адресирањето на грешките во линеарното позиционирање и аголните отстапувања на водилките, е примарен механизам за елиминација на конусноста. Протоколот нуди практичен пристап базиран на податоци за постигнување точност на ниво на микрон во прецизното производство на вратила, што бара стандардна метролошка опрема. Идната работа треба да ја истражи долгорочната стабилност на компензацијата и интеграцијата со следење во текот на процесот.

1 Вовед

Отстапувањето на конусот, дефинирано како ненамерна дијаметрална варијација по оската на ротација кај цилиндричните компоненти изработени со CNC стругање, останува постојан предизвик во прецизното производство. Ваквите грешки директно влијаат на критичните функционални аспекти како што се вклопувањето на лежиштата, интегритетот на заптивките и кинематиката на склопувањето, што потенцијално доведува до предвремено откажување или деградација на перформансите (Smith & Jones, 2023). Додека фактори како што се абењето на алатот, термичкото поместување и отклонувањето на обработениот дел придонесуваат за грешки во формата, некомпензираните геометриски неточности во самата CNC струга - поточно отстапувањата во линеарното позиционирање и аголното усогласување на оските - се идентификувани како примарни причини за систематско стеснување (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Традиционалните методи за компензација на обиди и грешки честопати одземаат многу време и им недостасуваат сеопфатни податоци потребни за робусна корекција на грешки низ целиот работен волумен. Оваа студија презентира и валидира структурирана методологија за прецизна калибрација со користење на ласерска интерферометрија за квантифицирање и компензација на геометриските грешки директно одговорни за формирање на стеснување кај CNC струганите вратила.

2 Методи на истражување

2.1 Дизајн на протокол за калибрација

Дизајнот на јадрото вклучува секвенцијално, волуметриско мапирање на грешки и пристап на компензација. Примарната хипотеза претпоставува дека прецизно измерените и компензирани геометриски грешки на линеарните оски на CNC стругот (X и Z) ќе бидат директно во корелација со елиминирањето на мерливото заострување во произведените вратила.

2.2 Собирање податоци и експериментално поставување

• Машинска алатка: Центар за стругање со 3 оски CNC (производител: Okuma GENOS L3000e, контролер: OSP-P300) служеше како тест платформа.

• Мерен инструмент: Ласерски интерферометар (ласерска глава Renishaw XL-80 со линеарна оптика XD и калибратор на ротациона оска RX10) обезбеди проследливи податоци од мерењето според стандардите на NIST. Линеарна позициона точност, праволинијa (во две рамнини), грешки во наклонот и отклонот за двете оски X и Z беа мерени во интервали од 100 mm во текот на целото патување (X: 300 mm, Z: 600 mm), следејќи ги процедурите ISO 230-2:2014.

• Работен дел и машинска обработка: Тест вратилата (материјал: челик AISI 1045, димензии: Ø20x150mm, Ø50x300mm) беа машински обработени под постојани услови (брзина на сечење: 200 m/min, довод: 0,15 mm/вртеж, длабочина на сечење: 0,5 mm, алатка: карбидна влошка обложена со CVD DNMG 150608) и пред и по калибрацијата. Беше нанесено средство за ладење.

• Мерење на конусот: Дијаметрите на вратилото по обработката беа мерени во интервали од 10 mm по должината со помош на машина за мерење координати со висока прецизност (CMM, Zeiss CONTURA G2, Максимална дозволена грешка: (1,8 + L/350) µm). Грешката на конусот беше пресметана како наклон на линеарната регресија на дијаметарот во однос на положбата.

2.3 Имплементација на компензација на грешки

Податоците за волуметриска грешка од ласерското мерење беа обработени со помош на софтверот COMP на Renishaw за да се генерираат табели за компензација специфични за оските. Овие табели, кои содржат вредности за корекција зависни од положбата за линеарно поместување, аголни грешки и отстапувања на праволинијта, беа прикачени директно во параметрите за компензација на геометриска грешка на машинската алатка во рамките на CNC контролерот (OSP-P300). Слика 1 ги илустрира примарните компоненти на геометриска грешка што се измерени.

3 Резултати и анализа

3.1 Мапирање на грешки пред калибрација

Ласерското мерење откри значајни геометриски отстапувања што придонесуваат за потенцијално стеснување:

• Z-оска: Позициска грешка од +28µm при Z=300mm, акумулација на грешка на наклон од -12 лачни секунди при движење од 600mm.

• X-оска: Грешка на скршнување од +8 лачни секунди при движење од 300 mm.
  Овие отстапувања се совпаѓаат со забележаните грешки при предкалибрација на конусот измерени на вратилото Ø50x300 mm, прикажани во Табела 1. Доминантниот модел на грешка укажува на конзистентно зголемување на дијаметарот кон крајот на задната летва.

Табела 1: Резултати од мерењето на грешката при конусирање

3.2 Перформанси по калибрацијата

Имплементацијата на изведените вектори на компензација резултираше со драматично намалување на измерената грешка на конусноста за обете тест вратила (Табела 1). Вратилото Ø50x300mm покажа намалување од +16,8µm/100mm на +1,7µm/100mm, што претставува подобрување од 89,9%. Слично, вратилото Ø20x150mm покажа намалување од +14,3µm/100mm на +1,1µm/100mm (подобрување од 92,3%). Слика 2 графички ги споредува дијаметралните профили на вратилото Ø50mm пред и по калибрацијата, јасно демонстрирајќи го елиминирањето на трендот на систематско конусност. Ова ниво на подобрување ги надминува типичните резултати пријавени за методите за рачна компензација (на пр., Zhang & Wang, 2022 пријавија намалување од ~70%) и ја истакнува ефикасноста на сеопфатната компензација на волуметриската грешка.

4 Дискусија

4.1 Интерпретација на резултатите

Значителното намалување на грешката во конусот директно ја потврдува хипотезата. Примарниот механизам е корекцијата на позиционата грешка на Z-оската и отстапувањето на наклонот, што предизвикало патеката на алатот да отстапува од идеалната паралелна траекторија во однос на оската на вретеното додека носачот се движел по Z. Компензацијата ефикасно ја поништила оваа дивергенција. Преостанатата грешка (<2µm/100mm) веројатно произлегува од извори кои се помалку подложни на геометриска компензација, како што се ситни термички ефекти за време на обработката, отклонување на алатот под сили на сечење или неизвесност на мерењето.

4.2 Ограничувања

Оваа студија се фокусираше на компензација на геометриски грешки под контролирани услови на блиска термичка рамнотежа типични за циклус на загревање на производството. Не моделира експлицитно или компензира за термички предизвикани грешки што се јавуваат за време на продолжени производствени циклуси или значителни флуктуации на температурата на околината. Понатаму, ефикасноста на протоколот кај машини со сериозно абење или оштетување на водилките/топчестите завртки не беше оценета. Влијанието на многу високите сили на сечење врз неутрализирачката компензација исто така беше надвор од тековниот опсег.

4.3 Практични импликации

Демонстрираниот протокол им обезбедува на производителите робустен, повторувачки метод за постигнување високопрецизно цилиндрично стружење, што е од суштинско значење за апликации во воздухопловството, медицинските уреди и високо-перформансните автомобилски компоненти. Тој ги намалува стапките на отпад поврзани со конусните неусогласености и го минимизира потпирањето на вештините на операторот за рачна компензација. Потребата за ласерска интерферометрија претставува инвестиција, но е оправдана за објекти што бараат толеранции на ниво на микрон.

5 Заклучок

Оваа студија утврдува дека систематската прецизна калибрација, со користење на ласерска интерферометрија за волуметриско мапирање на геометриски грешки и последователна компензација на CNC контролерот, е многу ефикасна за елиминирање на грешките во конусот кај CNC струганите вратила. Експерименталните резултати покажаа намалувања што надминуваат 89%, постигнувајќи преостаната конусност под 2µm/100mm. Основниот механизам е точната компензација на грешките во линеарното позиционирање и аголните отстапувања (наклон, отстапување) во оските на машинската алатка. Клучните заклучоци се:

1. Сеопфатното мапирање на геометриски грешки е клучно за идентификување на специфичните отстапувања што предизвикуваат стеснување.

2. Директната компензација на овие отстапувања во рамките на CNC контролерот обезбедува високо ефикасно решение.

3. Протоколот овозможува значителни подобрувања во димензионалната точност со користење на стандардни метролошки алатки.