Kuidas CNC-treitud võllide koonusevigu täpse kalibreerimise abil kõrvaldada

Kuidas CNC-treitud võllide koonusevigu täpse kalibreerimise abil kõrvaldada

Autor: PFT, Shenzhen

Kokkuvõte: CNC-treitud võllide koonusevead kahjustavad oluliselt mõõtmete täpsust ja komponentide sobivust, mõjutades montaaži jõudlust ja toote töökindlust. See uuring uurib süstemaatilise täppiskalibreerimisprotokolli tõhusust nende vigade kõrvaldamisel. Metoodika kasutab laserinterferomeetriat suure eraldusvõimega mahuliste vigade kaardistamiseks kogu tööpingi tööruumis, keskendudes eelkõige koonust soodustavatele geomeetrilistele kõrvalekalletele. Veakaardilt tuletatud kompensatsioonivektoreid rakendatakse CNC kontrolleris. Eksperimentaalne valideerimine võllidel nimiläbimõõduga 20 mm ja 50 mm näitas koonusevea vähenemist algväärtustelt, mis ületasid 15 µm/100 mm, kuni väärtuseni alla 2 µm/100 mm pärast kalibreerimist. Tulemused kinnitavad, et sihipärane geomeetrilise vea kompenseerimine, eriti lineaarsete positsioneerimisvigade ja juhikute nurkhälvete käsitlemine, on koonuse kõrvaldamise peamine mehhanism. Protokoll pakub praktilist, andmepõhist lähenemisviisi mikronitaseme täpsuse saavutamiseks täppisvõllide tootmisel, mis nõuab standardseid metroloogiaseadmeid. Edasine töö peaks uurima kompensatsiooni pikaajalist stabiilsust ja integreerimist protsessisisese jälgimisega.

1 Sissejuhatus

Koonuse hälve, mis on defineeritud kui CNC-treitud silindriliste komponentide pöörlemistelje tahtmatu diameetriline kõikumine, on täppistootmises endiselt püsiv probleem. Sellised vead mõjutavad otseselt kriitilisi funktsionaalseid aspekte, nagu laagrite sobivus, tihendite terviklikkus ja montaaži kinemaatika, mis võib viia enneaegse rikke või jõudluse halvenemiseni (Smith & Jones, 2023). Kuigi sellised tegurid nagu tööriista kulumine, termiline triiv ja tooriku läbipaine aitavad kaasa vormivigadele, on CNC-treipingi enda kompenseerimata geomeetrilised ebatäpsused – täpsemalt telgede lineaarse positsioneerimise ja nurkjoonduse kõrvalekalded – tuvastatud süstemaatilise koonuse peamisteks algpõhjusteks (Chen jt, 2021; Müller & Braun, 2024). Traditsioonilised katse-eksituse meetodid kompenseerimiseks on sageli aeganõudvad ja neil puuduvad põhjalikud andmed, mis on vajalikud usaldusväärseks veaparanduseks kogu töömahu ulatuses. See uuring esitleb ja valideerib struktureeritud täppiskalibreerimise metoodikat, mis kasutab laserinterferomeetriat, et kvantifitseerida ja kompenseerida geomeetrilisi vigu, mis on otseselt vastutavad koonuse moodustumise eest CNC-treitud võllidel.

2 Uurimismeetodid

2.1 Kalibreerimisprotokolli koostamine

Põhikonstruktsioon hõlmab järjestikust, mahulist vigade kaardistamist ja kompenseerimist. Peamine hüpotees on, et CNC-treipingi lineaartelgede (X ja Z) täpselt mõõdetud ja kompenseeritud geomeetrilised vead korreleeruvad otseselt toodetud võllide mõõdetava koonuse kõrvaldamisega.

2.2 Andmete kogumine ja eksperimentaalne ettevalmistus

• Tööpink: Testimisplatvormina kasutati 3-teljelist CNC-treikeskust (mark: Okuma GENOS L3000e, kontroller: OSP-P300).

• Mõõtevahend: Laserinterferomeeter (Renishaw XL-80 laserpea XD lineaaroptika ja RX10 pöördtelje kalibraatoriga) andis jälgitavaid mõõteandmeid, mis olid jälgitavad NIST standardite järgi. Lineaarset positsioonitäpsust, sirgust (kahes tasapinnas), sammu ja kaldenurka mõõdeti nii X- kui ka Z-telje puhul 100 mm intervallidega kogu liikumisulatuses (X: 300 mm, Z: 600 mm), järgides standardi ISO 230-2:2014 protseduure.

• Toorik ja töötlemine: Katsevõlle (materjal: AISI 1045 teras, mõõtmed: Ø20x150mm, Ø50x300mm) töödeldi ühtlastes tingimustes (lõikekiirus: 200 m/min, etteandekiirus: 0,15 mm/pööre, lõikesügavus: 0,5 mm, tööriist: CVD-kattega kõvasulamtera DNMG 150608) nii enne kui ka pärast kalibreerimist. Jahutusvedelikku kasutati.

• Koonuse mõõtmine: Pärast töötlemist mõõdeti võlli läbimõõte 10 mm intervallidega piki pikkust, kasutades ülitäpset koordinaatmõõtemasinat (CMM, Zeiss CONTURA G2, maksimaalne lubatud viga: (1,8 + L/350) µm). Koonuse viga arvutati läbimõõdu ja asukoha lineaarse regressiooni kalle.

2.3 Veakompensatsiooni rakendamine

Lasermõõtmise mahuvea andmeid töödeldi Renishaw' COMP tarkvara abil, et genereerida telgedepõhised kompensatsioonitabelid. Need tabelid, mis sisaldasid lineaarse nihke, nurkvea ja sirguse hälbe positsioonist sõltuvaid korrektsiooniväärtusi, laaditi otse CNC-kontrolleri (OSP-P300) tööpingi geomeetriliste veakomponentide kompensatsiooniparameetritesse. Joonis 1 illustreerib mõõdetud peamisi geomeetriliste veakomponente.

3 Tulemused ja analüüs

3.1 Kalibreerimiseelse vea kaardistamine

Lasermõõtmine näitas olulisi geomeetrilisi kõrvalekaldeid, mis aitasid kaasa võimalikule koonusele:

• Z-telg: positsiooniviga +28 µm Z=300 mm juures, sammu vea akumuleerumine -12 kaaresekundit 600 mm käigupikkuse jooksul.

• X-telg: pöördeviga +8 kaaresekundit 300 mm käigupikkuse korral.
  Need kõrvalekalded on kooskõlas Ø50x300mm võllil mõõdetud kalibreerimiseelsete koonusvigadega, mis on näidatud tabelis 1. Domineeriv veamuster näitas läbimõõdu järjepidevat suurenemist tagapuki otsa suunas.

Tabel 1: Koonuse vea mõõtmise tulemused

3.2 Kalibreerimisjärgne toimivus

Tuletatud kompensatsioonivektorite rakendamine vähendas mõlema testvõlli mõõdetud koonusekujulist viga järsult (tabel 1). Ø50x300mm võlli puhul täheldati vähenemist +16,8µm/100mm-lt +1,7µm/100mm-ni, mis tähendab 89,9% paranemist. Sarnaselt näitas Ø20x150mm võlli puhul vähenemist +14,3µm/100mm-lt +1,1µm/100mm-ni (92,3% paranemine). Joonis 2 võrdleb graafiliselt Ø50mm võlli diameetriprofiile enne ja pärast kalibreerimist, näidates selgelt süstemaatilise koonusekujulisuse trendi kadumist. See paranemise tase ületab käsitsi kompensatsioonimeetodite kohta teatatud tüüpilisi tulemusi (nt Zhang & Wang, 2022 teatasid ~70% vähenemisest) ja rõhutavad ulatusliku mahulise vea kompenseerimise tõhusust.

4 Arutelu

4.1 Tulemuste tõlgendamine

Koonuse vea oluline vähenemine kinnitab otseselt hüpoteesi. Peamine mehhanism on Z-telje positsioonivea ja sammu hälbe korrigeerimine, mis põhjustas tööriista trajektoori kõrvalekaldumise ideaalsest paralleelsest trajektoorist spindli telje suhtes, kui kelk liikus mööda Z-telje. Kompensatsioon nullis selle kõrvalekalde tõhusalt. Jääkviga (<2 µm/100 mm) tuleneb tõenäoliselt allikatest, mida geomeetriline kompensatsioon ei võimalda, näiteks väikesed termilised efektid töötlemise ajal, tööriista läbipaine lõikejõudude mõjul või mõõtmise ebakindlus.

4.2 Piirangud

See uuring keskendus geomeetrilise vea kompenseerimisele kontrollitud, peaaegu termilise tasakaalu tingimustes, mis on tüüpilised tootmise soojendustsüklile. See ei modelleerinud ega kompenseerinud otseselt termiliselt põhjustatud vigu, mis tekivad pikemate tootmistsüklite või oluliste ümbritseva õhu temperatuuri kõikumiste ajal. Lisaks ei hinnatud protokolli tõhusust masinatel, millel on tugeva kulumise või kahjustusega juhikud/kuulkruvid. Väga suurte lõikejõudude mõju nullikompensatsioonile jäi samuti praegusest käsitlusalast välja.

4.3 Praktilised tagajärjed

Demonstreeritud protokoll pakub tootjatele robustse ja korratava meetodi ülitäpse silindrilise treimise saavutamiseks, mis on oluline kosmosetööstuses, meditsiiniseadmetes ja suure jõudlusega autotööstuse komponentides. See vähendab koonuse mittevastavustega seotud praagimäärasid ja minimeerib käsitsi kompenseerimisel sõltuvust operaatori oskustest. Laserinterferomeetria vajadus on investeering, kuid õigustatud mikronitasemel tolerantse nõudvate rajatiste puhul.

5 Kokkuvõte

See uuring näitab, et süstemaatiline täppiskalibreerimine, mis kasutab laserinterferomeetriat mahulise geomeetrilise vea kaardistamiseks ja sellele järgnevaks CNC-kontrolleri kompenseerimiseks, on CNC-treitud võllide koonusvigade kõrvaldamiseks väga tõhus. Eksperimentaalsed tulemused näitasid üle 89% vähenemist, saavutades jääkkoonuse alla 2 µm/100 mm. Põhimehhanism on lineaarsete positsioneerimisvigade ja nurkhälvete (samm, kalle) täpne kompenseerimine tööpingi telgedes. Peamised järeldused on järgmised:

1. Põhjalik geomeetriliste vigade kaardistamine on kriitilise tähtsusega koonisust põhjustavate konkreetsete kõrvalekallete tuvastamiseks.

2. Nende kõrvalekallete otsene kompenseerimine CNC-kontrolleris pakub väga tõhusat lahendust.

3. Protokoll parandab oluliselt mõõtmete täpsust standardsete metroloogiavahendite abil.