Як усунути помилки конусності на валах, оброблених на верстатах з ЧПК, за допомогою точного калібрування

Як усунути помилки конусності на валах, оброблених на верстатах з ЧПК, за допомогою точного калібрування

Автор: PFT, Шеньчжень

Анотація: Похибки конусності валів, оброблених на верстатах з ЧПК, значно знижують точність розмірів та посадку компонентів, впливаючи на продуктивність складання та надійність виробу. Це дослідження досліджує ефективність протоколу систематичного прецизійного калібрування для усунення цих похибок. Методологія використовує лазерну інтерферометрію для високороздільного картування об'ємних похибок по всьому робочому простору верстата, зокрема, з акцентом на геометричні відхилення, що сприяють конусності. Вектори компенсації, отримані з карти похибок, застосовуються в контролері ЧПК. Експериментальна перевірка на валах з номінальними діаметрами 20 мм та 50 мм продемонструвала зменшення похибки конусності з початкових значень, що перевищують 15 мкм/100 мм, до менш ніж 2 мкм/100 мм після калібрування. Результати підтверджують, що цільова компенсація геометричної похибки, зокрема, враховуючи помилки лінійного позиціонування та кутові відхилення напрямних, є основним механізмом усунення конусності. Протокол пропонує практичний, заснований на даних підхід для досягнення точності на мікронному рівні у виробництві прецизійних валів, що вимагає стандартного метрологічного обладнання. Подальші дослідження повинні дослідити довгострокову стабільність компенсації та інтеграцію з моніторингом у процесі виробництва.

1 Вступ

Відхилення конусності, яке визначається як ненавмисне відхилення діаметра вздовж осі обертання в циліндричних компонентах, оброблених на верстатах з ЧПК, залишається постійною проблемою в точному виробництві. Такі помилки безпосередньо впливають на критичні функціональні аспекти, такі як посадка підшипників, цілісність ущільнень та кінематику складання, що потенційно призводить до передчасного виходу з ладу або погіршення продуктивності (Smith & Jones, 2023). Хоча такі фактори, як знос інструменту, тепловий дрейф та відхилення заготовки, сприяють помилкам форми, нескомпенсовані геометричні неточності в самому токарному верстаті з ЧПК, зокрема відхилення в лінійному позиціонуванні та кутовому вирівнюванні осей, визначаються як основні причини систематичної конусності (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Традиційні методи компенсації методом спроб і помилок часто є трудомісткими та не мають вичерпних даних, необхідних для надійної корекції помилок по всьому робочому об'єму. У цьому дослідженні представлено та валідовано структуровану методологію прецизійного калібрування з використанням лазерної інтерферометрії для кількісної оцінки та компенсації геометричних помилок, безпосередньо відповідальних за утворення конусності в валах, оброблених на верстатах з ЧПК.

2 Методи дослідження

2.1 Розробка протоколу калібрування

Основна конструкція передбачає послідовне, об'ємне картування та компенсацію похибок. Основна гіпотеза стверджує, що точно виміряні та скомпенсовані геометричні похибки лінійних осей (X та Z) токарного верстата з ЧПК будуть безпосередньо корелювати з усуненням вимірюваної конусності у виготовлених валах.

2.2 Збір даних та експериментальна установка

• Верстат: Тестовою платформою слугував 3-осьовий токарний центр з ЧПК (виробник: Okuma GENOS L3000e, контролер: OSP-P300).

• Вимірювальний прилад: Лазерний інтерферометр (лазерна головка Renishaw XL-80 з лінійною оптикою XD та калібратором поворотної осі RX10) забезпечував дані вимірювань, що відповідають стандартам NIST. Точність лінійного позиціонування, прямолінійність (у двох площинах), похибки тангажу та рискання для осей X та Z вимірювалися з інтервалом 100 мм протягом повного ходу (X: 300 мм, Z: 600 мм) відповідно до процедур ISO 230-2:2014.

• Заготовка та обробка: Випробувальні вали (матеріал: сталь AISI 1045, розміри: Ø20x150 мм, Ø50x300 мм) були оброблені за однакових умов (швидкість різання: 200 м/хв, подача: 0,15 мм/об, глибина різання: 0,5 мм, інструмент: твердосплавна пластина з покриттям CVD DNMG 150608) як до, так і після калібрування. Було застосовано охолоджувальну рідину.

• Вимірювання конусності: Діаметри вала після обробки вимірювалися з інтервалом 10 мм вздовж довжини за допомогою високоточної координатно-вимірювальної машини (КВМ, Zeiss CONTURA G2, максимально допустима похибка: (1,8 + L/350) мкм). Похибка конусності розраховувалась як нахил лінійної регресії залежності діаметра від положення.

2.3 Реалізація компенсації помилок

Дані об'ємної похибки, отримані в результаті лазерного вимірювання, були оброблені за допомогою програмного забезпечення COMP від Renishaw для створення таблиць компенсації для окремих осей. Ці таблиці, що містять залежні від положення значення корекції для лінійного переміщення, кутових похибок та відхилень прямолінійності, були безпосередньо завантажені в параметри компенсації геометричної похибки верстата в контролері ЧПК (OSP-P300). На рисунку 1 показано основні виміряні компоненти геометричної похибки.

3 Результати та аналіз

3.1 Карта помилок перед калібруванням

Лазерне вимірювання виявило значні геометричні відхилення, що сприяють потенційній конусності:

• Вісь Z: Похибка позиціонування +28 мкм при Z=300 мм, накопичення похибки кроку -12 кутових секунд протягом ходу 600 мм.

• Вісь X: Похибка рисання +8 кутових секунд на відстані 300 мм.
  Ці відхилення узгоджуються зі спостережуваними похибками конусності перед калібруванням, виміряними на валу Ø50x300 мм, що показано в таблиці 1. Домінуюча картина похибок вказувала на послідовне збільшення діаметра до кінця задньої бабки.

Таблиця 1: Результати вимірювання похибки конусності

3.2 Продуктивність після калібрування

Впровадження отриманих векторів компенсації призвело до значного зменшення виміряної похибки конусності для обох тестових валів (Таблиця 1). Вал Ø50x300 мм продемонстрував зменшення з +16,8 мкм/100 мм до +1,7 мкм/100 мм, що становить покращення на 89,9%. Аналогічно, вал Ø20x150 мм показав зменшення з +14,3 мкм/100 мм до +1,1 мкм/100 мм (покращення на 92,3%). На рисунку 2 графічно порівнюються діаметральні профілі вала Ø50 мм до та після калібрування, що чітко демонструє усунення систематичної тенденції конусності. Цей рівень покращення перевищує типові результати, про які повідомлялося для методів ручної компенсації (наприклад, Zhang & Wang, 2022 повідомили про зменшення ~70%) та підкреслює ефективність комплексної компенсації об'ємної похибки.

4 Обговорення

4.1 Інтерпретація результатів

Значне зменшення похибки конусності безпосередньо підтверджує гіпотезу. Основним механізмом є корекція похибки положення осі Z та відхилення кроку, що призводило до відхилення траєкторії руху інструменту від ідеальної паралельної траєкторії відносно осі шпинделя під час руху каретки вздовж Z. Компенсація ефективно нівелювала це відхилення. Залишкова похибка (<2 мкм/100 мм), ймовірно, походить від джерел, які менш піддаються геометричній компенсації, таких як незначні теплові ефекти під час обробки, відхилення інструменту під дією сил різання або невизначеність вимірювання.

4.2 Обмеження

Це дослідження було зосереджено на компенсації геометричних похибок за контрольованих умов, близьких до теплової рівноваги, типових для циклу розігріву виробництва. У ньому не моделювалися та не компенсувалися термічно викликані похибки, що виникають під час тривалих виробничих циклів або значних коливань температури навколишнього середовища. Крім того, ефективність протоколу на верстатах із сильним зносом або пошкодженням напрямних/кульових гвинтів не оцінювалася. Вплив дуже високих сил різання на компенсацію, що зводить нанівець, також виходив за межі поточних можливостей дослідження.

4.3 Практичні наслідки

Продемонстрований протокол надає виробникам надійний, повторюваний метод для досягнення високоточної циліндричної токарної обробки, що є важливим для застосування в аерокосмічній промисловості, медичних пристроях та високопродуктивних автомобільних компонентах. Він зменшує рівень браку, пов'язаного з невідповідностями конусності, та мінімізує залежність від навичок оператора для ручної компенсації. Вимога лазерної інтерферометрії є інвестицією, але виправдана для підприємств, що вимагають допусків на мікронному рівні.

5 Висновок

Це дослідження встановлює, що систематичне прецизійне калібрування з використанням лазерної інтерферометрії для об'ємного геометричного картування похибок та подальшої компенсації контролером ЧПК є високоефективним для усунення похибок конусності валів, оброблених на верстатах з ЧПК. Експериментальні результати продемонстрували зменшення, що перевищує 89%, досягнувши залишкової конусності нижче 2 мкм/100 мм. Основним механізмом є точна компенсація помилок лінійного позиціонування та кутових відхилень (тангування, рискання) по осях верстата. Ключові висновки:

1. Комплексне картографування геометричних похибок має вирішальне значення для виявлення конкретних відхилень, що спричиняють конусність.

2. Пряма компенсація цих відхилень у контролері ЧПК забезпечує високоефективне рішення.

3. Протокол забезпечує значне покращення точності розмірів за допомогою стандартних метрологічних інструментів.