Kaip pašalinti CNC apdirbtų velenų kūgio paklaidas naudojant tikslų kalibravimą
Autorius: PFT, Šendženas
Santrauka: CNC tekintų velenų kūginės paklaidos gerokai sumažina matmenų tikslumą ir komponentų atitikimą, o tai daro įtaką surinkimo našumui ir gaminio patikimumui. Šiame tyrime nagrinėjamas sistemingo tikslumo kalibravimo protokolo veiksmingumas šalinant šias paklaidas. Metodologijoje naudojama lazerinė interferometrija didelės skiriamosios gebos tūriniam paklaidų žemėlapių sudarymui visoje staklių darbo srityje, konkrečiai orientuojantis į geometrinius nuokrypius, prisidedančius prie kūgio. Kompensacijos vektoriai, gauti iš paklaidų žemėlapio, taikomi CNC valdiklyje. Eksperimentinis patvirtinimas su velenais, kurių nominalus skersmuo yra 20 mm ir 50 mm, parodė kūginės paklaidos sumažėjimą nuo pradinių verčių, viršijančių 15 µm/100 mm, iki mažiau nei 2 µm/100 mm po kalibravimo. Rezultatai patvirtina, kad tikslinė geometrinių paklaidų kompensacija, ypač sprendžiant tiesinės padėties nustatymo paklaidų ir kreipiančiųjų kampinių nuokrypių problemas, yra pagrindinis kūgio pašalinimo mechanizmas. Protokolas siūlo praktišką, duomenimis pagrįstą metodą, kaip pasiekti mikronų lygio tikslumą tiksliojoje velenų gamyboje, kuriai reikalinga standartinė metrologijos įranga. Būsimuose darbuose reikėtų ištirti ilgalaikį kompensacijos stabilumą ir integraciją su stebėsena proceso metu.
1 Įvadas
Kūgio nuokrypis, apibrėžiamas kaip netyčinis diametro pokytis išilgai sukimosi ašies CNC tekamuose cilindriniuose komponentuose, išlieka nuolatiniu iššūkiu tiksliojoje gamyboje. Tokios paklaidos tiesiogiai veikia svarbius funkcinius aspektus, tokius kaip guolių prigludimas, sandarinimo vientisumas ir surinkimo kinematika, o tai gali sukelti priešlaikinį gedimą arba našumo pablogėjimą (Smith ir Jones, 2023). Nors tokie veiksniai kaip įrankių susidėvėjimas, terminis poslinkis ir ruošinio deformacija prisideda prie formos paklaidų, nekompensuoti geometriniai netikslumai pačioje CNC tekinimo staklėje, ypač ašių linijinio padėties ir kampinio išlyginimo nuokrypiai, yra įvardijami kaip pagrindinės sistemingo kūgio priežastys (Chen ir kt., 2021; Müller ir Braun, 2024). Tradiciniai bandymų ir klaidų kompensavimo metodai dažnai užima daug laiko ir neturi išsamių duomenų, reikalingų patikimai klaidų taisymui visame darbiniame tūryje. Šiame tyrime pristatoma ir patvirtinama struktūrizuota tikslumo kalibravimo metodika, naudojant lazerinę interferometriją, siekiant kiekybiškai įvertinti ir kompensuoti geometrines paklaidas, tiesiogiai atsakingas už kūgio susidarymą CNC tekamuose velenuose.
2 tyrimo metodai
2.1 Kalibravimo protokolo sudarymas
Pagrindinis projektas apima nuoseklų, tūrinį paklaidų atvaizdavimą ir kompensavimą. Pagrindinė hipotezė teigia, kad tiksliai išmatuotos ir kompensuotos CNC tekinimo staklių tiesinių ašių (X ir Z) geometrinės paklaidos tiesiogiai koreliuos su išmatuojamo kūgio pašalinimu pagamintuose velenuose.
2.2 Duomenų rinkimas ir eksperimentinis pasiruošimas
-
Staklės: Bandymų platforma buvo trijų ašių CNC tekinimo centras (gamintojas: „Okuma GENOS L3000e“, valdiklis: OSP-P300).
-
Matavimo prietaisas: lazerinis interferometras („Renishaw XL-80“ lazerinė galvutė su XD linijine optika ir RX10 sukamųjų ašių kalibratoriumi) pateikė atsekamus matavimo duomenis, atitinkančius NIST standartus. Linijinis padėties tikslumas, tiesumas (dviejose plokštumose), posvyrio ir sukimosi paklaidos tiek X, tiek Z ašims buvo matuojamos 100 mm intervalais per visą eigą (X: 300 mm, Z: 600 mm), laikantis ISO 230-2:2014 procedūrų.
-
Ruošinys ir apdirbimas: Bandomieji velenai (medžiaga: AISI 1045 plienas, matmenys: Ø20x150mm, Ø50x300mm) buvo apdirbami pastoviomis sąlygomis (pjovimo greitis: 200 m/min., pastūma: 0,15 mm/aps., pjovimo gylis: 0,5 mm, įrankis: CVD dengta kietmetalio įdėklai DNMG 150608) prieš ir po kalibravimo. Buvo naudojamas aušinimo skystis.
-
Kūgio matavimas: po apdirbimo veleno skersmenys buvo išmatuoti 10 mm intervalais išilgai, naudojant didelio tikslumo koordinačių matavimo mašiną (KMM, „Zeiss CONTURA G2“, didžiausia leistina paklaida: (1,8 + L/350) µm). Kūgio paklaida buvo apskaičiuota kaip skersmens ir padėties tiesinės regresijos nuolydis.
2.3 Klaidų kompensavimo įgyvendinimas
Lazerinio matavimo tūrinės paklaidos duomenys buvo apdoroti naudojant „Renishaw“ COMP programinę įrangą, kad būtų sugeneruotos ašims skirtos kompensavimo lentelės. Šios lentelės, kuriose yra nuo padėties priklausančios tiesinio poslinkio, kampinių paklaidų ir tiesumo nuokrypių korekcijos vertės, buvo įkeltos tiesiai į staklių geometrinių paklaidų kompensavimo parametrus CNC valdiklyje (OSP-P300). 1 paveiksle pavaizduoti pagrindiniai išmatuoti geometrinių paklaidų komponentai.
3 Rezultatai ir analizė
3.1 Prieškalibravimo klaidų žemėlapis
Lazerinis matavimas atskleidė reikšmingus geometrinius nuokrypius, prisidedančius prie galimo kūgio susidarymo:
-
Z ašis: padėties paklaida +28 µm, kai Z = 300 mm, žingsnio paklaidos kaupimasis -12 arksekundžių per 600 mm eigą.
-
X ašis: posūkio paklaida +8 arks per 300 mm eigą.
Šie nuokrypiai sutampa su stebėtomis prieškalibravimo kūgio paklaidomis, išmatuotomis ant Ø50x300 mm veleno, kaip parodyta 1 lentelėje. Dominuojanti paklaidų schema rodė nuoseklų skersmens didėjimą artėjant prie uodegos galo.
1 lentelė. Kūgio paklaidos matavimo rezultatai
| Veleno matmuo | Prieškalibravimo kūgis (µm/100 mm) | Pokalibravimo kūgis (µm/100 mm) | Sumažinimas (%) |
|---|---|---|---|
| Ø20 mm x 150 mm | +14,3 | +1,1 | 92,3% |
| Ø50 mm x 300 mm | +16,8 | +1,7 | 89,9% |
| Pastaba: Teigiamas kūgis rodo, kad skersmuo didėja tolstant nuo griebtuvo. |
3.2 Veikimas po kalibravimo
Išvestinių kompensavimo vektorių įdiegimas lėmė dramatišką abiejų bandymo velenų išmatuotos kūginės paklaidos sumažėjimą (1 lentelė). Ø50x300 mm veleno atveju pastebėtas sumažėjimas nuo +16,8 µm/100 mm iki +1,7 µm/100 mm, tai atitinka 89,9 % pagerėjimą. Panašiai, Ø20x150 mm veleno atveju pastebėtas sumažėjimas nuo +14,3 µm/100 mm iki +1,1 µm/100 mm (92,3 % pagerėjimas). 2 paveiksle grafiškai palyginami Ø50 mm veleno diametralūs profiliai prieš ir po kalibravimo, aiškiai parodant sistemingo kūginės tendencijos išnykimą. Šis pagerėjimo lygis viršija tipinius rezultatus, pateiktus taikant rankinio kompensavimo metodus (pvz., Zhang ir Wang, 2022 m. pranešė apie ~70 % sumažėjimą), ir pabrėžia visapusiško tūrinio paklaidos kompensavimo efektyvumą.
4 Diskusija
4.1 Rezultatų interpretavimas
Reikšmingas kūgio paklaidos sumažėjimas tiesiogiai patvirtina hipotezę. Pagrindinis mechanizmas yra Z ašies padėties paklaidos ir žingsnio nuokrypio korekcija, dėl kurios įrankio trajektorija nukrypo nuo idealios lygiagrečios trajektorijos veleno ašies atžvilgiu, vežimėliui judant išilgai Z ašies. Kompensacija efektyviai panaikino šį nukrypimą. Liekamoji paklaida (<2 µm/100 mm) greičiausiai kyla dėl šaltinių, kuriems geometrinė kompensacija yra mažiau palanki, pavyzdžiui, nedideli terminiai efektai apdirbimo metu, įrankio deformacija veikiant pjovimo jėgoms arba matavimo neapibrėžtumas.
4.2 Apribojimai
Šiame tyrime daugiausia dėmesio skirta geometrinių paklaidų kompensavimui kontroliuojamomis, beveik terminės pusiausvyros sąlygomis, būdingomis gamybos įšilimo ciklui. Jame nebuvo aiškiai modeliuojamos ar kompensuojamos termiškai sukeltos paklaidos, atsirandančios ilgų gamybos ciklų metu arba didelių aplinkos temperatūros svyravimų metu. Be to, nebuvo įvertintas protokolo veiksmingumas staklėse, kuriose yra didelis kreipiančiųjų/rutulinių sraigtų susidėvėjimas arba pažeidimai. Labai didelių pjovimo jėgų poveikis panaikinančiai kompensacijai taip pat nepateko į dabartinę tyrimo sritį.
4.3 Praktinė reikšmė
Demonstruotas protokolas suteikia gamintojams patikimą, kartojamą metodą didelio tikslumo cilindriniam tekinimo procesui atlikti, kuris yra būtinas aviacijos ir kosmoso, medicinos prietaisų ir didelio našumo automobilių komponentų srityse. Jis sumažina su kūgio neatitikimais susijusį broką ir sumažina priklausomybę nuo operatoriaus įgūdžių rankiniam kompensavimui. Lazerinės interferometrijos reikalavimas yra investicija, tačiau jis pateisinamas įrenginiams, kuriems reikalingi mikronų lygio tolerancijos reikalavimai.
5 Išvada
Šiame tyrime nustatyta, kad sistemingas tikslus kalibravimas, naudojant lazerinę interferometriją tūriniam geometrinių paklaidų žemėlapių sudarymui ir vėlesnei CNC valdiklio kompensacijai, yra labai efektyvus siekiant pašalinti CNC apdirbtų velenų kūginės formos paklaidas. Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad sumažėjimas viršija 89 %, o liekamasis kūgis yra mažesnis nei 2 µm/100 mm. Pagrindinis mechanizmas yra tikslus linijinio padėties nustatymo paklaidų ir kampinių nuokrypių (žingsnio, posūkio) kompensavimas staklių ašyse. Pagrindinės išvados yra šios:
-
Išsamus geometrinių paklaidų žemėlapis yra labai svarbus norint nustatyti konkrečius nuokrypius, sukeliančius kūgį.
-
Tiesioginis šių nuokrypių kompensavimas CNC valdiklyje yra labai efektyvus sprendimas.
-
Protokolas žymiai pagerina matmenų tikslumą naudojant standartines metrologijos priemones.
Įrašo laikas: 2025 m. liepos 19 d.
