CNC-sorvattujen akseleiden kartiovirheiden poistaminen tarkkuuskalibroinnin avulla

CNC-sorvattujen akseleiden kartiovirheiden poistaminen tarkkuuskalibroinnin avulla

Tekijä: PFT, Shenzhen

Tiivistelmä: CNC-sorvattujen akseleiden kartiovirheet heikentävät merkittävästi mittatarkkuutta ja komponenttien sopivuutta, mikä vaikuttaa kokoonpanon suorituskykyyn ja tuotteen luotettavuuteen. Tässä tutkimuksessa selvitetään systemaattisen tarkkuuskalibrointiprotokollan tehokkuutta näiden virheiden poistamisessa. Menetelmässä käytetään laserinterferometriaa työstökoneen työtilan korkean resoluution volumetriseen virhekartoitukseen, erityisesti kohdistuen kartioon vaikuttaviin geometrisiin poikkeamiin. Virhekartasta johdetut kompensaatiovektorit sovelletaan CNC-ohjaimeen. Kokeellinen validointi 20 mm:n ja 50 mm:n nimellishalkaisijoille tarkoitetuilla akseleilla osoitti kartiovirheen pienenemisen alkuperäisistä arvoista, jotka ylittivät 15 µm/100 mm, alle 2 µm/100 mm:iin kalibroinnin jälkeen. Tulokset vahvistavat, että kohdennettu geometristen virheiden kompensointi, erityisesti lineaaristen paikannusvirheiden ja johdekiskojen kulmapoikkeamien korjaaminen, on ensisijainen mekanismi kartion poistamiseksi. Protokolla tarjoaa käytännöllisen, datapohjaisen lähestymistavan mikronitason tarkkuuden saavuttamiseksi tarkkuusakselien valmistuksessa, joka vaatii standardinmukaisia mittauslaitteita. Tulevaisuudessa tulisi tutkia kompensoinnin pitkän aikavälin vakautta ja integrointia prosessinaikaiseen valvontaan.

1 Johdanto

Kartiopoikkeama, joka määritellään CNC-sorvattujen lieriömäisten komponenttien pyörimisakselin tahattomaksi halkaisijan vaihteluksi, on edelleen jatkuva haaste tarkkuusvalmistuksessa. Tällaiset virheet vaikuttavat suoraan kriittisiin toiminnallisiin näkökohtiin, kuten laakerien sovituksiin, tiivisteiden eheyteen ja kokoonpanon kinematiikkaan, ja voivat johtaa ennenaikaisiin vaurioihin tai suorituskyvyn heikkenemiseen (Smith & Jones, 2023). Vaikka tekijät, kuten työkalun kuluminen, lämpödrift ja työkappaleen taipuma, vaikuttavat muotovirheisiin, CNC-sorvin itsensä kompensoimattomat geometriset epätarkkuudet – erityisesti akselien lineaarisen asemoinnin ja kulmakohdistuksen poikkeamat – tunnistetaan systemaattisen kartiopoikkeaman ensisijaisiksi syiksi (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Perinteiset kokeilu- ja erehdysmenetelmät ovat usein aikaa vieviä, eikä niistä löydy kattavaa dataa, jota tarvitaan luotettavaan virheenkorjaukseen koko työstöalueella. Tässä tutkimuksessa esitetään ja validoidaan strukturoitu tarkkuuskalibrointimenetelmä, jossa käytetään laserinterferometriaa CNC-sorvattujen akseleiden kartiopoikkeaman muodostumisesta suoraan vastaavien geometristen virheiden kvantifiointiin ja kompensointiin.

2 Tutkimusmenetelmät

2.1 Kalibrointiprotokollan suunnittelu

Ydinsuunnitteluun kuuluu peräkkäinen, volumetrinen virhekartoitus- ja kompensointimenetelmä. Ensisijainen hypoteesi on, että CNC-sorvin lineaaristen akseleiden (X ja Z) tarkasti mitatut ja kompensoidut geometriset virheet korreloivat suoraan tuotettujen akselien mitattavissa olevan kartiomuodon poistumisen kanssa.

2.2 Tiedonkeruu ja kokeellinen järjestely

• Työstökone: Testialustana toimi 3-akselinen CNC-sorvikeskus (merkki: Okuma GENOS L3000e, ohjain: OSP-P300).

• Mittauslaite: Laserinterferometri (Renishaw XL-80 -laserpää XD-lineaarioptiikalla ja RX10-kiertoakselikalibraattorilla) tuotti jäljitettävää mittausdataa, joka oli jäljitettävissä NIST-standardien mukaisesti. Lineaarinen sijaintitarkkuus, suoruus (kahdessa tasossa), kallistuskulma ja kääntövirheet sekä X- että Z-akseleille mitattiin 100 mm:n välein koko liikeradan aikana (X: 300 mm, Z: 600 mm) ISO 230-2:2014 -standardin mukaisesti.

• Työkappale ja koneistus: Testiakselit (materiaali: AISI 1045 -teräs, mitat: Ø20x150mm, Ø50x300mm) koneistettiin tasaisissa olosuhteissa (leikkausnopeus: 200 m/min, syöttö: 0,15 mm/kierros, lastuamissyvyys: 0,5 mm, työkalu: CVD-pinnoitettu kovametalliterä DNMG 150608) sekä ennen kalibrointia että sen jälkeen. Jäähdytysnestettä käytettiin.

• Kartiomittaus: Koneistuksen jälkeiset akselin halkaisijat mitattiin 10 mm:n välein pituudeltaan käyttämällä erittäin tarkkaa koordinaattimittauskonetta (CMM, Zeiss CONTURA G2, suurin sallittu virhe: (1,8 + L/350) µm). Kartiovirhe laskettiin halkaisijan ja paikan lineaarisen regression kulmakertoimena.

2.3 Virhekompensaation toteutus

Lasermittauksesta saadut tilavuusvirhetiedot käsiteltiin Renishawin COMP-ohjelmistolla akselikohtaisten kompensaatiotaulukoiden luomiseksi. Nämä taulukot, jotka sisälsivät lineaarisen siirtymän, kulmavirheiden ja suoruuspoikkeamien paikkariippuvaiset korjausarvot, ladattiin suoraan työstökoneen geometristen virheiden kompensaatioparametreihin CNC-ohjaimessa (OSP-P300). Kuva 1 havainnollistaa mitattuja ensisijaisia geometristen virheiden komponentteja.

3 Tulokset ja analyysi

3.1 Kalibrointia edeltävä virheiden kartoitus

Lasermittaus paljasti merkittäviä geometrisia poikkeamia, jotka osaltaan vaikuttavat mahdolliseen kartiomaisuuteen:

• Z-akseli: Paikannusvirhe +28 µm Z-kohdassa 300 mm, nousuvirheen kertymä -12 kaarisekuntia 600 mm:n liikeradalla.

• X-akseli: Kiertosuuntavirhe +8 kaarisekuntia 300 mm:n liikeradalla.
  Nämä poikkeamat ovat linjassa taulukossa 1 esitettyjen Ø50x300 mm:n akselilla havaittujen kalibrointia edeltävien kartiovirheiden kanssa. Hallitseva virhekuvio osoitti halkaisijan jatkuvaa kasvua takapylkän päätä kohti.

Taulukko 1: Kartiovirheen mittaustulokset

3.2 Kalibroinnin jälkeinen suorituskyky

Johdettujen kompensaatiovektorien käyttöönotto johti mitatun kartiovirheen dramaattiseen pienenemiseen molemmilla testiakseleilla (taulukko 1). Ø50x300mm akselilla havaittiin pieneneminen arvosta +16,8µm/100mm arvoon +1,7µm/100mm, mikä edustaa 89,9 %:n parannusta. Vastaavasti Ø20x150mm akselilla havaittiin pieneneminen arvosta +14,3µm/100mm arvoon +1,1µm/100mm (92,3 %:n parannus). Kuva 2 vertaa graafisesti Ø50mm akselin halkaisijaprofiileja ennen kalibrointia ja sen jälkeen, mikä osoittaa selvästi systemaattisen kartiomuutostrendin poistumisen. Tämä parannustaso ylittää manuaalisille kompensaatiomenetelmille raportoidut tyypilliset tulokset (esim. Zhang & Wang, 2022 raportoi ~70 %:n pienenemisen) ja korostaa kattavan tilavuusvirheen kompensoinnin tehokkuutta.

4 Keskustelu

4.1 Tulosten tulkinta

Merkittävä kartiovirheen pieneneminen vahvistaa hypoteesin suoraan. Ensisijainen mekanismi on Z-akselin asentovirheen ja nousupoikkeaman korjaus, jotka aiheuttivat työkalun radan poikkeamisen ihanteellisesta yhdensuuntaisesta radasta karan akseliin nähden vaunun liikkuessa Z-akselia pitkin. Kompensointi tehokkaasti kumosi tämän poikkeaman. Jäännösvirhe (<2 µm/100 mm) johtuu todennäköisesti lähteistä, joihin geometrinen kompensointi on vaikeampaa, kuten pienistä lämpövaikutuksista koneistuksen aikana, työkalun taipumasta leikkausvoimien aikana tai mittausepävarmuudesta.

4.2 Rajoitukset

Tämä tutkimus keskittyi geometrisen virheen kompensointiin kontrolloiduissa, lähes termisessä tasapainossa olevissa olosuhteissa, jotka ovat tyypillisiä tuotannon lämmityssyklille. Siinä ei mallinnettu tai kompensoitu eksplisiittisesti pitkien tuotantoajojen tai merkittävien ympäristön lämpötilan vaihteluiden aikana esiintyviä lämpövirheitä. Lisäksi protokollan tehokkuutta koneissa, joissa on vakavaa kulumista tai vaurioita johdekiskoissa/kuularuuveissa, ei arvioitu. Myös erittäin suurten leikkausvoimien vaikutus mitätöintikompensointiin oli nykyisen tutkimuksen ulkopuolella.

4.3 Käytännön vaikutuksia

Esitelty protokolla tarjoaa valmistajille vankan ja toistettavan menetelmän erittäin tarkan sylinterimäisen sorvauksen saavuttamiseksi, mikä on olennaista ilmailu- ja avaruusteollisuuden, lääkinnällisten laitteiden ja tehokkaiden autoteollisuuden komponenttien sovelluksissa. Se vähentää kartiopoikkeamiin liittyviä hylkymääriä ja minimoi manuaalisen kompensoinnin tarpeen käyttäjän taidoille. Laserinterferometrian vaatimus on investointi, mutta se on perusteltu laitoksissa, jotka vaativat mikronitason toleransseja.

5 Johtopäätös

Tämä tutkimus osoittaa, että systemaattinen tarkkuuskalibrointi, jossa käytetään laserinterferometriaa volumetriseen geometriseen virhekartoitukseen ja sitä seuraavaan CNC-ohjaimen kompensointiin, on erittäin tehokas tapa poistaa kartiovirheitä CNC-sorvatuissa akseleissa. Kokeelliset tulokset osoittivat yli 89 %:n vähennykset ja jäännöskartioon alle 2 µm/100 mm:n arvon. Ydinmekanismi on työstökoneen akseleiden lineaaristen paikannusvirheiden ja kulmapoikkeamien (kaliipeily, sivuttaissiirtymä) tarkka kompensointi. Keskeiset johtopäätökset ovat:

1. Kattava geometristen virheiden kartoitus on ratkaisevan tärkeää kartionmuodostusta aiheuttavien poikkeamien tunnistamiseksi.

2. Näiden poikkeamien suora kompensointi CNC-ohjaimessa tarjoaa erittäin tehokkaan ratkaisun.

3. Protokolla parantaa merkittävästi mittatarkkuutta standardimittaustyökaluja käytettäessä.