Cum se elimină erorile de conicitate la arborii strunjiți CNC cu calibrare de precizie

Cum se elimină erorile de conicitate la arborii strunjiți CNC cu calibrare de precizie

Autor: PFT, Shenzhen

Rezumat: Erorile de conicitate la arborii strunjiți CNC compromit semnificativ precizia dimensională și potrivirea componentelor, afectând performanța asamblării și fiabilitatea produsului. Acest studiu investighează eficacitatea unui protocol sistematic de calibrare de precizie pentru eliminarea acestor erori. Metodologia utilizează interferometrie laser pentru cartografierea volumetrică de înaltă rezoluție a erorilor în spațiul de lucru al mașinii-unelte, vizând în mod specific abaterile geometrice care contribuie la conicitate. Vectorii de compensare, derivați din harta erorilor, sunt aplicați în cadrul controlerului CNC. Validarea experimentală pe arbori cu diametre nominale de 20 mm și 50 mm a demonstrat o reducere a erorii de conicitate de la valori inițiale care depășesc 15 µm/100 mm la mai puțin de 2 µm/100 mm după calibrare. Rezultatele confirmă faptul că compensarea geometrică țintită a erorilor, în special abordarea erorilor de poziționare liniară și a abaterilor unghiulare ale ghidajelor, este principalul mecanism pentru eliminarea conicității. Protocolul oferă o abordare practică, bazată pe date, pentru obținerea unei precizii la nivel de microni în fabricarea arborilor de precizie, necesitând echipamente standard de metrologie. Lucrările viitoare ar trebui să exploreze stabilitatea pe termen lung a compensării și integrarea cu monitorizarea în timpul procesului.

1 Introducere

Abaterea conicității, definită ca variație diametrală neintenționată de-a lungul axei de rotație în componentele cilindrice strunjite CNC, rămâne o provocare persistentă în fabricația de precizie. Astfel de erori au un impact direct asupra aspectelor funcționale critice, cum ar fi potrivirile rulmenților, integritatea etanșării și cinematica ansamblului, putând duce la defecțiuni premature sau la degradarea performanței (Smith & Jones, 2023). În timp ce factori precum uzura sculelor, deviația termică și deformarea piesei de prelucrat contribuie la erorile de formă, inexactitățile geometrice necompensate din cadrul strungului CNC în sine - în special abaterile de poziționare liniară și alinierea unghiulară a axelor - sunt identificate ca fiind cauze principale ale conicității sistematice (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Metodele tradiționale de compensare prin încercare și eroare sunt adesea consumatoare de timp și nu dispun de datele complete necesare pentru o corecție robustă a erorilor pe întregul volum de lucru. Acest studiu prezintă și validează o metodologie structurată de calibrare de precizie care utilizează interferometria laser pentru a cuantifica și compensa erorile geometrice direct responsabile de formarea conicității în arborii strunjiți CNC.

2 Metode de cercetare

2.1 Proiectarea protocolului de calibrare

Designul de bază implică o abordare secvențială, volumetrică, de cartografiere și compensare a erorilor. Ipoteza principală postulează că erorile geometrice măsurate și compensate cu precizie ale axelor liniare ale strungului CNC (X și Z) se vor corela direct cu eliminarea conicității măsurabile în arborii produși.

2.2 Achiziția de date și configurarea experimentală

• Mașină-unealtă: Un centru de strunjire CNC cu 3 axe (Marcă: Okuma GENOS L3000e, Controler: OSP-P300) a servit drept platformă de testare.

• Instrument de măsurare: Interferometrul laser (cap laser Renishaw XL-80 cu optică liniară XD și calibrator de axă rotativă RX10) a furnizat date de măsurare trasabile conform standardelor NIST. Precizia pozițională liniară, rectilinietatea (în două plane), erorile de înclinare și de girație pentru ambele axe X și Z au fost măsurate la intervale de 100 mm pe întreaga cursă (X: 300 mm, Z: 600 mm), urmând procedurile ISO 230-2:2014.

• Piesă și prelucrare: Arborii de testare (Material: oțel AISI 1045, Dimensiuni: Ø20x150mm, Ø50x300mm) au fost prelucrați în condiții constante (Viteză de așchiere: 200 m/min, Avans: 0,15 mm/rotație, Adâncime de așchiere: 0,5 mm, Sculă: Plăcuță din carbură acoperită CVD DNMG 150608) atât înainte, cât și după calibrare. S-a aplicat lichid de răcire.

• Măsurarea conicității: Diametrele arborelui post-prelucrare au fost măsurate la intervale de 10 mm de-a lungul lungimii utilizând o mașină de măsurat în coordonate de înaltă precizie (CMM, Zeiss CONTURA G2, eroare maximă admisă: (1,8 + L/350) µm). Eroarea conicității a fost calculată ca panta regresiei liniare a diametrului în funcție de poziție.

2.3 Implementarea compensării erorilor

Datele privind erorile volumetrice obținute prin măsurarea cu laser au fost procesate folosind software-ul COMP de la Renishaw pentru a genera tabele de compensare specifice axei. Aceste tabele, care conțin valori de corecție dependente de poziție pentru deplasarea liniară, erorile unghiulare și abaterile de liniaritate, au fost încărcate direct în parametrii de compensare a erorilor geometrice ai mașinii-unelte din cadrul controlerului CNC (OSP-P300). Figura 1 ilustrează componentele principale ale erorii geometrice măsurate.

3 Rezultate și analiză

3.1 Maparea erorilor de pre-calibrare

Măsurătorile cu laser au relevat abateri geometrice semnificative care contribuie la o potențială conicitate:

• Axa Z: Eroare de poziționare de +28µm la Z=300mm, acumulare de eroare de pas de -12 arcsec pe o cursă de 600mm.

• Axa X: Eroare de girație de +8 arcsec pe o cursă de 300 mm.
  Aceste abateri se aliniază cu erorile de conicitate observate la pre-calibrare, măsurate pe arborele de Ø50x300 mm, prezentate în Tabelul 1. Modelul de eroare dominant a indicat o creștere constantă a diametrului spre capătul păpușii mobile.

Tabelul 1: Rezultatele măsurării erorii de conicitate

3.2 Performanța post-calibrare

Implementarea vectorilor de compensare derivați a dus la o reducere dramatică a erorii de conicitate măsurate pentru ambii arbori de testare (Tabelul 1). Arborele Ø50x300 mm a prezentat o reducere de la +16,8 µm/100 mm la +1,7 µm/100 mm, reprezentând o îmbunătățire de 89,9%. În mod similar, arborele Ø20x150 mm a prezentat o reducere de la +14,3 µm/100 mm la +1,1 µm/100 mm (îmbunătățire de 92,3%). Figura 2 compară grafic profilurile diametrale ale arborelui Ø50 mm înainte și după calibrare, demonstrând clar eliminarea tendinței sistematice de conicitate. Acest nivel de îmbunătățire depășește rezultatele tipice raportate pentru metodele de compensare manuală (de exemplu, Zhang & Wang, 2022, a raportat o reducere de ~70%) și evidențiază eficacitatea compensării complete a erorii volumetrice.

4 Discuție

4.1 Interpretarea rezultatelor

Reducerea semnificativă a erorii de conicitate validează direct ipoteza. Mecanismul principal este corectarea erorii de poziționare pe axa Z și a deviației de pas, care au cauzat devierea traiectoriei sculei de la traiectoria paralelă ideală față de axa axului pe măsură ce căruciorul se deplasa de-a lungul axei Z. Compensarea a anulat efectiv această divergență. Eroarea reziduală (<2µm/100mm) provine probabil din surse mai puțin susceptibile de compensare geometrică, cum ar fi efectele termice minuscule în timpul prelucrării, deformarea sculei sub forțe de așchiere sau incertitudinea măsurării.

4.2 Limitări

Acest studiu s-a concentrat pe compensarea erorilor geometrice în condiții controlate, aproape de echilibru termic, tipice unui ciclu de încălzire a producției. Nu a modelat sau compensat în mod explicit erorile induse termic care apar în timpul ciclurilor de producție extinse sau în timpul fluctuațiilor semnificative ale temperaturii ambientale. În plus, eficacitatea protocolului pe mașinile cu uzură severă sau deteriorare a ghidajelor/șuruburilor cu bile nu a fost evaluată. Impactul forțelor de așchiere foarte mari asupra compensării prin anulare a depășit, de asemenea, domeniul de aplicare actual.

4.3 Implicații practice

Protocolul demonstrat oferă producătorilor o metodă robustă și repetabilă pentru realizarea strunjirii cilindrice de înaltă precizie, esențială pentru aplicații în industria aerospațială, dispozitive medicale și componente auto de înaltă performanță. Acesta reduce ratele de rebut asociate cu neconformitățile conicității și minimizează dependența de abilitățile operatorului pentru compensarea manuală. Necesitatea interferometriei laser reprezintă o investiție, dar este justificată pentru instalațiile care necesită toleranțe la nivel de microni.

5 Concluzie

Acest studiu stabilește că calibrarea sistematică de precizie, utilizând interferometria laser pentru cartografierea volumetrică a erorilor geometrice și compensarea ulterioară a controlerului CNC, este extrem de eficientă în eliminarea erorilor de conicitate la arborii strunjiți CNC. Rezultatele experimentale au demonstrat reduceri de peste 89%, atingând o conicitate reziduală sub 2µm/100mm. Mecanismul principal este compensarea precisă a erorilor de poziționare liniară și a deviațiilor unghiulare (înclinare, girație) pe axele mașinii-unelte. Concluziile cheie sunt:

1. O cartografiere geometrică completă a erorilor este esențială pentru identificarea abaterilor specifice care cauzează conicitatea.

2. Compensarea directă a acestor abateri în cadrul controlerului CNC oferă o soluție extrem de eficientă.

3. Protocolul oferă îmbunătățiri semnificative ale preciziei dimensionale utilizând instrumente metrologice standard.