Hogyan szüntethetők meg a kúpos hibák CNC-esztergált tengelyeken precíziós kalibrálással?
Szerző: PFT, Sencsen
Absztrakt: A CNC-esztergált tengelyek kúpossági hibái jelentősen rontják a méretpontosságot és az alkatrész illeszkedését, ami hatással van az összeszerelés teljesítményére és a termék megbízhatóságára. Ez a tanulmány egy szisztematikus precíziós kalibrációs protokoll hatékonyságát vizsgálja ezen hibák kiküszöbölésére. A módszer lézeres interferometriát alkalmaz a nagy felbontású térfogati hibatérképezéshez a szerszámgép munkaterületén, különös tekintettel a kúpossághoz hozzájáruló geometriai eltérésekre. A hibatérképből származó kompenzációs vektorokat a CNC vezérlőn belül alkalmazzák. A 20 mm-es és 50 mm-es névleges átmérőjű tengelyeken végzett kísérleti validáció kimutatta, hogy a kúpossági hiba a kalibrálás után a 15 µm/100 mm-t meghaladó kezdeti értékekről 2 µm/100 mm alá csökkent. Az eredmények megerősítik, hogy a célzott geometriai hibakompenzáció, különösen a lineáris pozicionálási hibák és a vezetősínek szögeltéréseinek kezelése, a kúposság kiküszöbölésének elsődleges mechanizmusa. A protokoll egy gyakorlatias, adatvezérelt megközelítést kínál a mikron szintű pontosság elérésére a precíziós tengelygyártásban, amely standard méréstechnikai berendezéseket igényel. A jövőbeni munkának a kompenzáció hosszú távú stabilitását és a folyamat közbeni monitorozással való integrációt kell feltárnia.
1 Bevezetés
A kúposság-eltérés, amelyet a CNC-esztergált hengeres alkatrészek forgástengelye mentén bekövetkező nem szándékos átmérőbeli eltérésként definiálnak, továbbra is állandó kihívást jelent a precíziós gyártásban. Az ilyen hibák közvetlenül befolyásolják a kritikus funkcionális szempontokat, mint például a csapágyilleszkedést, a tömítés integritását és az összeszerelés kinematikáját, ami potenciálisan idő előtti meghibásodáshoz vagy teljesítményromláshoz vezethet (Smith & Jones, 2023). Míg az olyan tényezők, mint a szerszámkopás, a hőeltolódás és a munkadarab elhajlása hozzájárulnak az alaki hibákhoz, a CNC-esztergán belüli kompenzálatlan geometriai pontatlanságok – konkrétan a tengelyek lineáris pozicionálásának és szögbeállításának eltérései – a szisztematikus kúposság elsődleges kiváltó okaiként azonosíthatók (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). A hagyományos próbálkozáson alapuló kompenzációs módszerek gyakran időigényesek, és hiányoznak belőlük az átfogó adatok, amelyek a teljes munkamennyiségben a robusztus hibajavításhoz szükségesek. Ez a tanulmány egy strukturált precíziós kalibrációs módszertant mutat be és validál, amely lézeres interferometriát alkalmaz a CNC-esztergált tengelyek kúposságképződéséért közvetlenül felelős geometriai hibák számszerűsítésére és kompenzálására.
2 Kutatási módszerek
2.1 Kalibrációs protokoll tervezése
Az alapkialakítás egy szekvenciális, térfogati hibatérképezési és -kompenzációs megközelítést foglal magában. Az elsődleges hipotézis az, hogy a CNC eszterga lineáris tengelyeinek (X és Z) pontosan mért és kompenzált geometriai hibái közvetlenül összefüggenek a gyártott tengelyek mérhető kúposságának megszüntetésével.
2.2 Adatgyűjtés és kísérleti beállítások
-
Szerszámgép: Tesztplatformként egy 3 tengelyes CNC esztergaközpont (márka: Okuma GENOS L3000e, vezérlő: OSP-P300) szolgált.
-
Mérőeszköz: A lézerinterferométer (Renishaw XL-80 lézerfej XD lineáris optikával és RX10 forgótengely-kalibrátorral) a NIST szabványoknak megfelelően visszavezethető mérési adatokat szolgáltatott. A lineáris pozicionálási pontosságot, az egyenességet (két síkban), a dőlésszöget és az elfordulási hibákat mind az X, mind a Z tengelyek esetében 100 mm-es intervallumokban mérték a teljes mozgástartományban (X: 300 mm, Z: 600 mm), az ISO 230-2:2014 szabvány szerinti eljárásokkal.
-
Munkadarab és megmunkálás: A teszttengelyeket (Anyag: AISI 1045 acél, Méretek: Ø20x150mm, Ø50x300mm) állandó körülmények között (Forgácsolási sebesség: 200 m/perc, Előtolás: 0,15 mm/ford, Forgácsolási mélység: 0,5 mm, Szerszám: CVD-bevonatú keményfém lapka DNMG 150608) megmunkálták kalibrálás előtt és után is. Hűtőfolyadékot alkalmaztak.
-
Kúposságmérés: A megmunkálás utáni tengelyátmérőket 10 mm-es intervallumokban mérték a hossz mentén nagy pontosságú koordináta-mérőgéppel (CMM, Zeiss CONTURA G2, maximálisan megengedett hiba: (1,8 + L/350) µm). A kúpossági hibát az átmérő és a pozíció lineáris regressziójának meredekségeként számították ki.
2.3 Hibakompenzáció megvalósítása
A lézeres mérésből származó térfogati hibaadatokat a Renishaw COMP szoftverével dolgozták fel tengelyspecifikus kompenzációs táblázatok létrehozásához. Ezeket a táblázatokat, amelyek pozíciófüggő korrekciós értékeket tartalmaztak a lineáris elmozdulásra, a szöghibákra és az egyenességi eltérésekre, közvetlenül feltöltötték a szerszámgép geometriai hibakompenzációs paramétereibe a CNC vezérlőn (OSP-P300) belül. Az 1. ábra a mért elsődleges geometriai hibakomponenseket szemlélteti.
3 Eredmények és elemzés
3.1 Kalibrálás előtti hibatérképezés
A lézeres mérés jelentős geometriai eltéréseket tárt fel, amelyek hozzájárultak a lehetséges kúpossághoz:
-
Z-tengely: +28 µm pozícióhiba 300 mm-nél, -12 ívmásodperc halmozódási hiba 600 mm-es mozgástartományon keresztül.
-
X tengely: +8 ívmásodperc elfordulási hiba 300 mm-es úthossz felett.
Ezek az eltérések összhangban vannak az Ø50x300 mm-es tengelyen mért, kalibráció előtti kúpossági hibákkal, amelyeket az 1. táblázat mutat be. A domináns hibamintázat az átmérő következetes növekedését jelezte a szegnyereg vége felé.
1. táblázat: Kúpossági hiba mérési eredmények
| Tengelyméret | Kalibrálás előtti kúposság (µm/100mm) | Kalibráció utáni kúposság (µm/100mm) | Csökkentés (%) |
|---|---|---|---|
| Ø20mm x 150mm | +14,3 | +1,1 | 92,3% |
| Ø50mm x 300mm | +16,8 | +1,7 | 89,9% |
| Megjegyzés: A pozitív kúposság azt jelzi, hogy az átmérő a tokmánytól távolodva növekszik. |
3.2 Kalibrálás utáni teljesítmény
A származtatott kompenzációs vektorok implementációja drámai csökkenést eredményezett a mért kúpossági hibában mindkét teszttengely esetében (1. táblázat). Az Ø50x300 mm-es tengely +16,8µm/100mm-ről +1,7µm/100mm-re csökkent, ami 89,9%-os javulást jelent. Hasonlóképpen, a Ø20x150 mm-es tengely +14,3µm/100mm-ről +1,1µm/100mm-re csökkent (92,3%-os javulás). A 2. ábra grafikusan összehasonlítja az Ø50 mm-es tengely átmérőprofiljait a kalibrálás előtt és után, egyértelműen bemutatva a szisztematikus kúpossági trend megszűnését. Ez a javulás meghaladja a manuális kompenzációs módszerekre vonatkozóan jelentett tipikus eredményeket (pl. Zhang és Wang, 2022 ~70%-os csökkenésről számolt be), és kiemeli az átfogó térfogati hibakompenzáció hatékonyságát.
4 Megbeszélés
4.1 Az eredmények értelmezése
A kúpossági hiba jelentős csökkenése közvetlenül igazolja a hipotézist. Az elsődleges mechanizmus a Z-tengely pozicionális hibájának és a menetemelkedés-eltérésnek a korrekciója, amely miatt a szerszámpálya eltért az ideális párhuzamos pályától az orsótengelyhez képest, miközben a kocsi a Z irányban mozgott. A kompenzáció hatékonyan semlegesítette ezt az eltérést. A reziduális hiba (<2µm/100mm) valószínűleg olyan forrásokból ered, amelyek kevésbé kompenzálhatók geometriai kompenzációval, mint például a megmunkálás során fellépő apró hőhatások, a szerszám elhajlása a forgácsolóerők alatt vagy a mérési bizonytalanság.
4.2 Korlátozások
Ez a tanulmány a geometriai hibák kompenzálására összpontosított kontrollált, közel termikus egyensúlyi körülmények között, amelyek egy gyártási bemelegedési ciklusra jellemzőek. Nem modellezte vagy kompenzálta explicit módon a hosszabb gyártási ciklusok vagy jelentős környezeti hőmérséklet-ingadozások során fellépő termikusan indukált hibákat. Továbbá nem értékelték a protokoll hatékonyságát súlyosan kopott vagy sérült vezetősínekkel/golyósorsókkal rendelkező gépeken. A nagyon nagy forgácsolóerők hatása a nullázó kompenzációra szintén meghaladta a jelenlegi hatókört.
4.3 Gyakorlati vonatkozások
A bemutatott protokoll robusztus, megismételhető módszert biztosít a gyártók számára a nagy pontosságú hengeresztergálás eléréséhez, ami elengedhetetlen a repülőgépiparban, az orvostechnikai eszközökben és a nagy teljesítményű autóipari alkatrészekben alkalmazott alkalmazásokhoz. Csökkenti a kúpos nemmegfelelőségekkel járó selejtarányokat, és minimalizálja a kezelői szakértelemre való támaszkodást a kézi kompenzációhoz. A lézeres interferometria iránti igény befektetést jelent, de indokolt a mikron szintű tűréshatárokat igénylő létesítmények számára.
5 Következtetés
Ez a tanulmány megállapítja, hogy a lézeres interferometria volumetrikus geometriai hibaleképezésre és az azt követő CNC vezérlőkompenzációra történő szisztematikus precíziós kalibrálás rendkívül hatékony a CNC-esztergált tengelyek kúpossági hibáinak kiküszöbölésében. A kísérleti eredmények több mint 89%-os csökkenést mutattak, 2 µm/100 mm alatti maradék kúposságot elérve. A központi mechanizmus a szerszámgép tengelyeinek lineáris pozicionálási hibáinak és szögeltéréseinek (emelkedés, elfordulás) pontos kompenzálása. A főbb következtetések a következők:
-
Az átfogó geometriai hibatérképezés kritikus fontosságú a kúposság okozta specifikus eltérések azonosításához.
-
Ezen eltérések közvetlen kompenzálása a CNC vezérlőn belül rendkívül hatékony megoldást kínál.
-
A protokoll jelentős javulást eredményez a méretpontosságban a szabványos metrológiai eszközök használatával.
Közzététel ideje: 2025. július 19.
