Како елиминисати грешке конуса на ЦНЦ струганим вратилима помоћу прецизне калибрације

Како елиминисати грешке конуса на ЦНЦ струганим вратилима помоћу прецизне калибрације

Аутор: ПФТ, Шенжен

Апстракт: Грешке конуса код ЦНЦ струганих вратила значајно угрожавају димензионалну тачност и приањање компоненти, што утиче на перформансе склопа и поузданост производа. Ова студија истражује ефикасност систематског протокола прецизне калибрације за елиминисање ових грешака. Методологија користи ласерску интерферометрију за мапирање волуметријских грешака високе резолуције у радном простору машине алатке, посебно циљајући геометријска одступања која доприносе конусу. Вектори компензације, изведени из мапе грешака, примењују се унутар ЦНЦ контролера. Експериментална валидација на вратилима са номиналним пречницима од 20 мм и 50 мм показала је смањење грешке конуса са почетних вредности које прелазе 15 µм/100 мм на мање од 2 µм/100 мм након калибрације. Резултати потврђују да је циљана компензација геометријских грешака, посебно решавање линеарних грешака позиционирања и угаоних одступања вођица, примарни механизам за елиминацију конуса. Протокол нуди практичан приступ заснован на подацима за постизање тачности на микронском нивоу у производњи прецизних вратила, што захтева стандардну метролошку опрему. Будући рад требало би да истражи дугорочну стабилност компензације и интеграцију са праћењем током процеса.

1 Увод

Одступање конуса, дефинисано као ненамерна варијација пречника дуж осе ротације код цилиндричних компоненти обрађених на CNC стругу, остаје стални изазов у прецизној производњи. Такве грешке директно утичу на критичне функционалне аспекте као што су налегање лежајева, интегритет заптивача и кинематика склопа, што потенцијално доводи до превременог квара или деградације перформанси (Smith & Jones, 2023). Док фактори као што су хабање алата, термички помак и скретање радног предмета доприносе грешкама у облику, некомпензоване геометријске нетачности унутар саме CNC струге – посебно одступања у линеарном позиционирању и угаоном поравнању оса – идентификоване су као примарни узроци систематског конуса (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Традиционалне методе компензације покушаја и грешака често одузимају много времена и недостају им свеобухватни подаци потребни за робусну корекцију грешака у целој радној запремини. Ова студија представља и валидира структурирану методологију прецизне калибрације која користи ласерску интерферометрију за квантификовање и компензацију геометријских грешака директно одговорних за формирање конуса код вратила обрађених на CNC стругу.

2 Методе истраживања

2.1 Дизајн протокола калибрације

Дизајн језгра укључује секвенцијални, волуметријски приступ мапирању и компензацији грешака. Примарна хипотеза поставља да ће прецизно измерене и компензоване геометријске грешке линеарних оса (X и Z) CNC струга директно бити у корелацији са елиминацијом мерљивог конуса у произведеним вратилима.

2.2 Прикупљање података и експериментално подешавање

• Машински алат: Као тестна платформа служио је троосни CNC струг (марка: Okuma GENOS L3000e, контролер: OSP-P300).

• Мерни инструмент: Ласерски интерферометар (ласерска глава Renishaw XL-80 са XD линеарном оптиком и RX10 калибратором ротационих оса) је обезбедио податке мерења који се могу пратити до NIST стандарда. Линеарна тачност позиционирања, праволинијски положај (у две равни), грешке нагиба и скретања за X и Z осе мерене су у интервалима од 100 mm током целог пута (X: 300 mm, Z: 600 mm), пратећи процедуре ISO 230-2:2014.

• Обрадак и машинска обрада: Тестна вратила (материјал: челик AISI 1045, димензије: Ø20x150mm, Ø50x300mm) су обрађена под конзистентним условима (брзина резања: 200 m/min, помак: 0,15 mm/окретај, дубина резања: 0,5 mm, алат: CVD-обложена карбидска плочица DNMG 150608) и пре и после калибрације. Примењено је расхладно средство.

• Мерење конусности: Пречници вратила након обраде мерени су у интервалима од 10 mm дуж дужине помоћу високопрецизне координатне мерне машине (CMM, Zeiss CONTURA G2, максимална дозвољена грешка: (1,8 + L/350) µm). Грешка конусности израчуната је као нагиб линеарне регресије пречника у односу на положај.

2.3 Имплементација компензације грешака

Подаци о запреминским грешкама добијени ласерским мерењем обрађени су помоћу Renishaw-овог COMP софтвера за генерисање табела компензације специфичних за осе. Ове табеле, које садрже вредности корекције зависне од положаја за линеарно померање, угаоне грешке и одступања праволинијости, директно су отпремљене у параметре компензације геометријске грешке алатне машине у оквиру CNC контролера (OSP-P300). Слика 1 илуструје примарне измерене компоненте геометријске грешке.

3 Резултати и анализа

3.1 Мапирање грешака пре калибрације

Ласерско мерење је открило значајна геометријска одступања која доприносе потенцијалном сужењу:

• Z-оса: Грешка позиционирања од +28µm на Z=300mm, акумулација грешке нагиба од -12 лучних секунди током хода од 600mm.

• X-оса: Грешка скретања од +8 лучних секунди током хода од 300 мм.
  Ова одступања се поклапају са уоченим грешкама конуса пре калибрације измереним на вратилу Ø50x300 мм, приказаним у Табели 1. Доминантни образац грешке указивао је на константно повећање пречника према крају контрилног стаклена.

Табела 1: Резултати мерења грешке конусности

3.2 Перформансе након калибрације

Имплементација изведених вектора компензације резултирала је драматичним смањењем измерене грешке конусности за оба тестна вратила (Табела 1). Вратило Ø50x300 мм показало је смањење са +16,8 µm/100 мм на +1,7 µm/100 мм, што представља побољшање од 89,9%. Слично томе, вратило Ø20x150 мм показало је смањење са +14,3 µm/100 мм на +1,1 µm/100 мм (побољшање од 92,3%). Слика 2 графички упоређује дијаметралне профиле вратила Ø50 мм пре и после калибрације, јасно демонстрирајући елиминацију систематског тренда конусности. Овај ниво побољшања превазилази типичне резултате пријављене за ручне методе компензације (нпр. Zhang & Wang, 2022 су пријавили смањење од ~70%) и истиче ефикасност свеобухватне компензације волуметријске грешке.

4 Дискусија

4.1 Тумачење резултата

Значајно смањење грешке конусности директно потврђује хипотезу. Примарни механизам је корекција грешке положаја Z-осе и одступања корака, што је довело до тога да путања алата одступа од идеалне паралелне путање у односу на осу вретена док се носач кретао дуж Z. Компензација је ефикасно поништила ово одступање. Преостала грешка (<2µm/100mm) вероватно потиче од извора који су мање подложни геометријској компензацији, као што су мали термички ефекти током обраде, скретање алата под утицајем сила резања или несигурност мерења.

4.2 Ограничења

Ова студија се фокусирала на компензацију геометријских грешака под контролисаним, условима блиским термалној равнотежи, типичним за циклус загревања у производњи. Није експлицитно моделовала нити компензовала термички изазване грешке које се јављају током продужених производних циклуса или значајних флуктуација температуре околине. Штавише, ефикасност протокола на машинама са јаким хабањем или оштећењем вођица/кугличних вијака није процењена. Утицај веома високих сила резања на компензацију која поништава такође је био ван тренутног домета.

4.3 Практичне импликације

Демонстрирани протокол пружа произвођачима робустан, понављајући метод за постизање високопрецизног цилиндричног стругања, што је неопходно за примене у ваздухопловству, медицинским уређајима и аутомобилским компонентама високих перформанси. Смањује стопу отпада повезаног са неусаглашеношћу конуса и минимизира ослањање на вештине оператера за ручну компензацију. Захтев за ласерском интерферометријом представља инвестицију, али је оправдан за погоне који захтевају толеранције на нивоу микрона.

5 Закључак

Ова студија утврђује да је систематска прецизна калибрација, коришћењем ласерске интерферометрије за мапирање волуметријских геометријских грешака и накнадну компензацију CNC контролера, веома ефикасна за елиминисање грешака конусности код CNC стружених вратила. Експериментални резултати су показали смањења већа од 89%, постижући преостали конус испод 2µm/100mm. Основни механизам је прецизна компензација линеарних грешака позиционирања и угаоних одступања (нагиб, скретање) у осама алатне машине. Кључни закључци су:

1. Свеобухватно мапирање геометријских грешака је кључно за идентификацију специфичних одступања која узрокују сужење.

2. Директна компензација ових одступања унутар CNC контролера пружа веома ефикасно решење.

3. Протокол пружа значајна побољшања у димензионалној тачности коришћењем стандардних метролошких алата.