Kako ukloniti pogreške konusa na CNC tokarenim osovinama preciznom kalibracijom

Kako ukloniti pogreške konusa na CNC tokarenim osovinama preciznom kalibracijom

Autor: PFT, Shenzhen

Sažetak: Pogreške konusa u CNC tokarenim osovinama značajno ugrožavaju dimenzijsku točnost i pristajanje komponenti, utječući na performanse sklopa i pouzdanost proizvoda. Ova studija istražuje učinkovitost sustavnog protokola precizne kalibracije za uklanjanje tih pogrešaka. Metodologija koristi lasersku interferometriju za mapiranje volumetrijskih pogrešaka visoke rezolucije u radnom prostoru alatnog stroja, posebno ciljajući geometrijska odstupanja koja doprinose konusu. Vektori kompenzacije, izvedeni iz karte pogrešaka, primjenjuju se unutar CNC kontrolera. Eksperimentalna validacija na osovinama nominalnih promjera od 20 mm i 50 mm pokazala je smanjenje pogreške konusa s početnih vrijednosti koje prelaze 15 µm/100 mm na manje od 2 µm/100 mm nakon kalibracije. Rezultati potvrđuju da je ciljana kompenzacija geometrijskih pogrešaka, posebno adresiranje linearnih pogrešaka pozicioniranja i kutnih odstupanja vodilica, primarni mehanizam za uklanjanje konusa. Protokol nudi praktičan, podacima utemeljen pristup za postizanje točnosti na mikronskoj razini u proizvodnji preciznih osovina, što zahtijeva standardnu metrologiju. Budući rad trebao bi istražiti dugoročnu stabilnost kompenzacije i integraciju s praćenjem tijekom procesa.

1 Uvod

Odstupanje konusa, definirano kao nenamjerna varijacija promjera duž osi rotacije u cilindričnim komponentama obrađenim CNC tokarenjem, ostaje stalni izazov u preciznoj proizvodnji. Takve pogreške izravno utječu na kritične funkcionalne aspekte poput dosjeda ležajeva, integriteta brtvi i kinematike sklopa, što potencijalno dovodi do preranog kvara ili smanjenja performansi (Smith & Jones, 2023). Dok čimbenici poput trošenja alata, toplinskog pomaka i otklona obratka doprinose pogreškama u obliku, nekompenzirane geometrijske netočnosti unutar same CNC tokarilice - posebno odstupanja u linearnom pozicioniranju i kutnom poravnanju osi - identificirane su kao primarni uzroci sustavnog konusa (Chen et al., 2021.; Müller & Braun, 2024.). Tradicionalne metode kompenzacije pokušaja i pogrešaka često su dugotrajne i nedostaju im sveobuhvatni podaci potrebni za robusnu korekciju pogrešaka u cijelom radnom volumenu. Ova studija predstavlja i validira strukturiranu metodologiju precizne kalibracije koja koristi lasersku interferometriju za kvantificiranje i kompenzaciju geometrijskih pogrešaka izravno odgovornih za stvaranje konusa u osovinama obrađenim CNC tokarenjem.

2 Metode istraživanja

2.1 Dizajn protokola kalibracije

Dizajn jezgre uključuje sekvencijalni, volumetrijski pristup mapiranja i kompenzacije pogrešaka. Primarna hipoteza postavlja da će precizno izmjerene i kompenzirane geometrijske pogreške linearnih osi CNC tokarilice (X i Z) izravno korelirati s uklanjanjem mjerljivog konusa u proizvedenim osovinama.

2.2 Prikupljanje podataka i postavljanje eksperimenta

• Strojni alat: Kao testna platforma poslužio je 3-osni CNC tokarski centar (proizvođač: Okuma GENOS L3000e, kontroler: OSP-P300).

• Mjerni instrument: Laserski interferometar (laserska glava Renishaw XL-80 s linearnom optikom XD i kalibratorom rotacijske osi RX10) pružio je sljedive podatke mjerenja koji se mogu pratiti prema NIST standardima. Linearna pozicijska točnost, pravocrtnost (u dvije ravnine), pogreške nagiba i skretanja za obje osi X i Z mjerene su u intervalima od 100 mm tijekom cijelog puta (X: 300 mm, Z: 600 mm), slijedeći postupke ISO 230-2:2014.

• Obrada: Ispitne osovine (Materijal: čelik AISI 1045, Dimenzije: Ø20x150mm, Ø50x300mm) obrađene su pod konzistentnim uvjetima (brzina rezanja: 200 m/min, posmak: 0,15 mm/okr, dubina rezanja: 0,5 mm, alat: CVD-obložena karbidna pločica DNMG 150608) prije i poslije kalibracije. Primijenjena je rashladna tekućina.

• Mjerenje konusa: Promjeri osovine nakon obrade mjereni su u intervalima od 10 mm duž duljine pomoću visokopreciznog koordinatnog mjernog stroja (CMM, Zeiss CONTURA G2, maksimalna dopuštena pogreška: (1,8 + L/350) µm). Pogreška konusa izračunata je kao nagib linearne regresije promjera u odnosu na položaj.

2.3 Implementacija kompenzacije pogrešaka

Podaci o volumetrijskoj pogrešci iz laserskog mjerenja obrađeni su pomoću Renishawovog COMP softvera za generiranje tablica kompenzacije specifičnih za os. Ove tablice, koje sadrže vrijednosti korekcije ovisne o položaju za linearni pomak, kutne pogreške i odstupanja od pravocrtnosti, izravno su učitane u parametre kompenzacije geometrijske pogreške alatnog stroja unutar CNC kontrolera (OSP-P300). Slika 1 prikazuje izmjerene primarne komponente geometrijske pogreške.

3 Rezultati i analiza

3.1 Mapiranje pogrešaka prije kalibracije

Lasersko mjerenje otkrilo je značajna geometrijska odstupanja koja doprinose potencijalnom suženju:

• Z-os: Pogreška položaja od +28µm pri Z=300mm, akumulacija pogreške nagiba od -12 lučnih sekundi tijekom pomaka od 600mm.

• X-os: Pogreška skretanja od +8 lučnih sekundi tijekom hoda od 300 mm.
  Ova odstupanja podudaraju se s uočenim pogreškama konusa prije kalibracije izmjerenim na osovini Ø50x300 mm, prikazanim u Tablici 1. Dominantni uzorak pogreške ukazivao je na konzistentno povećanje promjera prema kraju kontrašilice.

Tablica 1: Rezultati mjerenja pogreške konusnosti

3.2 Performanse nakon kalibracije

Implementacija izvedenih kompenzacijskih vektora rezultirala je dramatičnim smanjenjem izmjerene pogreške konusnosti za obje ispitne osovine (Tablica 1). Osovina Ø50x300 mm pokazala je smanjenje s +16,8 µm/100 mm na +1,7 µm/100 mm, što predstavlja poboljšanje od 89,9%. Slično tome, osovina Ø20x150 mm pokazala je smanjenje s +14,3 µm/100 mm na +1,1 µm/100 mm (poboljšanje od 92,3%). Slika 2 grafički uspoređuje dijametralne profile osovine Ø50 mm prije i nakon kalibracije, jasno pokazujući uklanjanje sustavnog trenda konusnosti. Ova razina poboljšanja premašuje tipične rezultate prijavljene za ručne metode kompenzacije (npr. Zhang i Wang, 2022. izvijestili su o smanjenju od ~70%) i ističe učinkovitost sveobuhvatne volumetrijske kompenzacije pogreške.

4 Rasprava

4.1 Interpretacija rezultata

Značajno smanjenje pogreške konusa izravno potvrđuje hipotezu. Primarni mehanizam je korekcija pogreške položaja Z-osi i odstupanja koraka, što je uzrokovalo odstupanje putanje alata od idealne paralelne putanje u odnosu na os vretena dok se kolica kretao duž Z. Kompenzacija je učinkovito poništila ovo odstupanje. Preostala pogreška (<2µm/100mm) vjerojatno proizlazi iz izvora koji su manje podložni geometrijskoj kompenzaciji, kao što su mali toplinski učinci tijekom obrade, otklon alata pod silama rezanja ili nesigurnost mjerenja.

4.2 Ograničenja

Ova studija usredotočila se na kompenzaciju geometrijskih pogrešaka pod kontroliranim, gotovo termički ravnotežnim uvjetima tipičnim za ciklus zagrijavanja u proizvodnji. Nije eksplicitno modelirala niti kompenzirala termički inducirane pogreške koje se javljaju tijekom produženih proizvodnih ciklusa ili značajnih fluktuacija temperature okoline. Nadalje, učinkovitost protokola na strojevima s jakim trošenjem ili oštećenjem vodilica/kugličnim vijcima nije procijenjena. Utjecaj vrlo visokih sila rezanja na poništavajuću kompenzaciju također je bio izvan trenutnog opsega.

4.3 Praktične implikacije

Demonstrirani protokol pruža proizvođačima robusnu, ponovljivu metodu za postizanje visokopreciznog cilindričnog tokarenja, ključnog za primjenu u zrakoplovstvu, medicinskim uređajima i visokoučinkovitim automobilskim komponentama. Smanjuje stopu otpada povezanu s neusklađenostima konusa i minimizira ovisnost o vještinama operatera za ručnu kompenzaciju. Zahtjev za laserskom interferometrijom predstavlja ulaganje, ali je opravdan za postrojenja koja zahtijevaju tolerancije na razini mikrona.

5 Zaključak

Ova studija utvrđuje da je sustavna precizna kalibracija, korištenjem laserske interferometrije za volumetrijsko mapiranje geometrijskih pogrešaka i naknadnu kompenzaciju CNC kontrolera, vrlo učinkovita za uklanjanje pogrešaka konusa u CNC tokarenim osovinama. Eksperimentalni rezultati pokazali su smanjenja veća od 89%, postižući preostali konus ispod 2µm/100mm. Osnovni mehanizam je točna kompenzacija linearnih pogrešaka pozicioniranja i kutnih odstupanja (nagib, skretanje) u osima alatnog stroja. Ključni zaključci su:

1. Sveobuhvatno mapiranje geometrijskih pogrešaka ključno je za identificiranje specifičnih odstupanja koja uzrokuju konusnost.

2. Izravna kompenzacija tih odstupanja unutar CNC kontrolera pruža vrlo učinkovito rješenje.

3. Protokol pruža značajna poboljšanja u dimenzijskoj točnosti korištenjem standardnih metroloških alata.