Як ліквідаваць памылкі канічнасці на валах, апрацаваных на станках з ЧПУ, з дапамогай дакладнай каліброўкі

Як ліквідаваць памылкі канічнасці на валах, апрацаваных на станках з ЧПУ, з дапамогай дакладнай каліброўкі

Аўтар: PFT, Шэньчжэнь

Анатацыя: Памылкі канічнасці ў валах, апрацаваных на станках з ЧПУ, значна пагаршаюць дакладнасць памераў і пасадку кампанентаў, уплываючы на прадукцыйнасць зборкі і надзейнасць вырабу. У гэтым даследаванні даследуецца эфектыўнасць сістэматычнага пратаколу дакладнай каліброўкі для ліквідацыі гэтых памылак. У методыцы выкарыстоўваецца лазерная інтэрфераметрыя для картаграфавання аб'ёмных памылак з высокім разрозненнем па ўсёй рабочай прасторы станка, у прыватнасці, накіравана на геаметрычныя адхіленні, якія спрыяюць канічнасці. Вектары кампенсацыі, атрыманыя з карты памылак, ужываюцца ў кантролеры з ЧПУ. Эксперыментальная праверка на валах з намінальным дыяметрам 20 мм і 50 мм прадэманстравала зніжэнне памылкі канічнасці з пачатковых значэнняў, якія перавышаюць 15 мкм/100 мм, да менш чым 2 мкм/100 мм пасля каліброўкі. Вынікі пацвярджаюць, што мэтанакіраваная кампенсацыя геаметрычнай памылкі, асабліва ўлічэнне памылак лінейнага пазіцыянавання і вуглавых адхіленняў накіроўвалых, з'яўляецца асноўным механізмам ліквідацыі канічнасці. Пратакол прапануе практычны, заснаваны на дадзеных падыход для дасягнення дакладнасці на ўзроўні мікрон у вытворчасці дакладнага вала, што патрабуе стандартнага метралагічнага абсталявання. У будучыні варта вывучыць доўгатэрміновую стабільнасць кампенсацыі і інтэграцыю з маніторынгам у працэсе вытворчасці.

1 Уводзіны

Адхіленне кануснасці, якое вызначаецца як ненаўмыснае змяненне дыяметра ўздоўж восі кручэння ў цыліндрычных кампанентах, апрацаваных на станках з ЧПУ, застаецца пастаяннай праблемай у дакладнай вытворчасці. Такія памылкі непасрэдна ўплываюць на крытычныя функцыянальныя аспекты, такія як пасадкі падшыпнікаў, цэласнасць ушчыльнення і кінематыка зборкі, што можа прывесці да заўчаснага выхаду з ладу або зніжэння прадукцыйнасці (Smith & Jones, 2023). У той час як такія фактары, як знос інструмента, цеплавы дрэйф і адхіленне дэталі, спрыяюць памылкам формы, некампенсаваныя геаметрычныя недакладнасці ўнутры самога такарнага станка з ЧПУ, у прыватнасці, адхіленні ў лінейным пазіцыянаванні і вуглавым выраўноўванні восяў, вызначаюцца як асноўныя прычыны сістэматычнай кануснасці (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Традыцыйныя метады кампенсацыі спроб і памылак часта працаёмкія і не маюць поўных дадзеных, неабходных для надзейнай карэкцыі памылак па ўсім рабочым аб'ёме. У гэтым даследаванні прадстаўлена і праверана структураваная метадалогія дакладнай каліброўкі з выкарыстаннем лазернай інтэрфераметрыі для колькаснай ацэнкі і кампенсацыі геаметрычных памылак, непасрэдна адказных за ўтварэнне кануснасці ў валах, апрацаваных на станках з ЧПУ.

2 Метады даследавання

2.1 Распрацоўка пратакола каліброўкі

Канструкцыя асновы прадугледжвае паслядоўнае аб'ёмнае картаграфаванне і кампенсацыю памылак. Асноўная гіпотэза сцвярджае, што дакладна вымераныя і скампенсаваныя геаметрычныя памылкі лінейных восяў такарнага станка з ЧПУ (X і Z) будуць непасрэдна карэляваць з ліквідацыяй вымернай канічнасці вырабленых валаў.

2.2 Збор дадзеных і эксперыментальная ўстаноўка

• Станок: У якасці выпрабавальнай платформы служыў 3-восевы такарны цэнтр з ЧПУ (вытворца: Okuma GENOS L3000e, кантролер: OSP-P300).

• Вымяральны прыбор: лазерны інтэрферометр (лазерная галоўка Renishaw XL-80 з лінейнай оптыкай XD і калібратарам паваротных восяў RX10) забяспечыў прасочваемыя дадзеныя вымярэнняў, якія адпавядаюць стандартам NIST. Лінейная дакладнасць пазіцыянавання, прамалінейнасць (у дзвюх плоскасцях), памылкі тангажу і рыскання для восяў X і Z вымяраліся з інтэрвалам 100 мм на працягу ўсяго ходу (X: 300 мм, Z: 600 мм) у адпаведнасці з працэдурамі ISO 230-2:2014.

• Апрацоўка дэталі: Выпрабавальныя валы (матэрыял: сталь AISI 1045, памеры: Ø20x150 мм, Ø50x300 мм) былі апрацаваны ў аднолькавых умовах (хуткасць рэзання: 200 м/мін, падача: 0,15 мм/абарот, глыбіня рэзання: 0,5 мм, інструмент: цвёрдасплаўная пласціна з CVD-пакрыццём DNMG 150608) як да, так і пасля каліброўкі. Астуджальная вадкасць падавалася.

• Вымярэнне кануснасці: дыяметры вала пасля апрацоўкі вымяраліся з інтэрвалам 10 мм уздоўж даўжыні з дапамогай высокадакладнай каардынатна-вымяральнай машыны (CMM, Zeiss CONTURA G2, максімальна дапушчальная памылка: (1,8 + L/350) мкм). Памылка кануснасці разлічвалася як нахіл лінейнай рэгрэсіі дыяметра ў залежнасці ад становішча.

2.3 Рэалізацыя кампенсацыі памылак

Дадзеныя аб аб'ёмных памылках, атрыманыя ў выніку лазернага вымярэння, былі апрацаваны з дапамогай праграмнага забеспячэння COMP кампаніі Renishaw для стварэння табліц кампенсацыі па восях. Гэтыя табліцы, якія змяшчаюць карэкцыйныя значэнні лінейнага зрушэння, вуглавых памылак і адхіленняў ад прамалінейнасці, якія залежаць ад становішча, былі загружаны непасрэдна ў параметры кампенсацыі геаметрычнай памылкі станка ў кантролеры ЧПУ (OSP-P300). На малюнку 1 паказаны асноўныя вымераныя кампаненты геаметрычнай памылкі.

3 Вынікі і аналіз

3.1 Карта памылак перад каліброўкай

Лазернае вымярэнне выявіла значныя геаметрычныя адхіленні, якія спрыяюць патэнцыйнай канічнасці:

• Вось Z: памылка пазіцыі +28 мкм пры Z=300 мм, назапашванне памылкі тангажу -12 кутніх секунд на працягу ходу 600 мм.

• Вось X: памылка рыскання +8 кутніх секунд на працягу 300 мм ходу.
  Гэтыя адхіленні супадаюць з назіранымі памылкамі канічнасці перад каліброўкай, вымеранымі на вале Ø50x300 мм, паказанымі ў Табліцы 1. Дамінуючая карціна памылак паказвала на паслядоўнае павелічэнне дыяметра да канца задняй бабкі.

Табліца 1: Вынікі вымярэння памылкі канічнасці

3.2 Прадукцыйнасць пасля каліброўкі

Укараненне атрыманых вектараў кампенсацыі прывяло да значнага зніжэння вымеранай памылкі канічнасці для абодвух тэставых валаў (табліца 1). Вал Ø50x300 мм паказаў зніжэнне з +16,8 мкм/100 мм да +1,7 мкм/100 мм, што прадстаўляе паляпшэнне на 89,9%. Аналагічна, вал Ø20x150 мм паказаў зніжэнне з +14,3 мкм/100 мм да +1,1 мкм/100 мм (паляпшэнне на 92,3%). На малюнку 2 графічна параўноўваюцца дыяметральныя профілі вала Ø50 мм да і пасля каліброўкі, што выразна дэманструе ліквідацыю сістэматычнай тэндэнцыі канічнасці. Гэты ўзровень паляпшэння перавышае тыповыя вынікі, атрыманыя для метадаў ручной кампенсацыі (напрыклад, Zhang & Wang, 2022 паведамілі пра зніжэнне ~70%) і падкрэслівае эфектыўнасць комплекснай кампенсацыі аб'ёмнай памылкі.

4 Абмеркаванне

4.1 Інтэрпрэтацыя вынікаў

Значнае зніжэнне памылкі канічнасці непасрэдна пацвярджае гіпотэзу. Асноўным механізмам з'яўляецца карэкцыя памылкі становішча восі Z і адхілення кроку, што прывяло да адхілення траекторыі інструмента ад ідэальнай паралельнай траекторыі адносна восі шпіндзеля пры руху карэткі ўздоўж Z. Кампенсацыя эфектыўна нівеліравала гэта адхіленне. Рэшткавая памылка (<2 мкм/100 мм), верагодна, звязана з крыніцамі, якія менш паддаюцца геаметрычнай кампенсацыі, такімі як нязначныя цеплавыя эфекты падчас апрацоўкі, адхіленне інструмента пад уздзеяннем сіл рэзання або хібнасць вымярэння.

4.2 Абмежаванні

Гэта даследаванне было сканцэнтравана на кампенсацыі геаметрычных памылак у кантраляваных умовах, блізкіх да цеплавой раўнавагі, тыповых для цыклу разагрэву вытворчасці. У ім не мадэляваліся і не кампенсаваліся тэрмічна выкліканыя памылкі, якія ўзнікаюць падчас працяглых вытворчых цыклаў або значных ваганняў тэмпературы навакольнага асяроддзя. Акрамя таго, эфектыўнасць пратаколу на машынах з моцным зносам або пашкоджаннем накіроўвалых/шрубавых пар не ацэньвалася. Уплыў вельмі высокіх сіл рэзання на кампенсацыю, якая анулюе яе, таксама выходзіў за рамкі бягучай працы.

4.3 Практычныя наступствы

Прадэманстраваны пратакол забяспечвае вытворцаў надзейным, паўтаральным метадам дасягнення высокадакладнай цыліндрычнай апрацоўкі, неабходнай для прымянення ў аэракасмічнай прамысловасці, медыцынскіх прыладах і высокапрадукцыйных аўтамабільных кампанентах. Ён зніжае ўзровень браку, звязанага з неадпаведнасцямі канічнасці, і мінімізуе залежнасць ад навыкаў аператара для ручной кампенсацыі. Патрабаванне лазернай інтэрфераметрыі ўяўляе сабой інвестыцыю, але апраўдана для аб'ектаў, якія патрабуюць дапушчальных адхіленняў на ўзроўні мікрон.

5 Выснова

Гэта даследаванне пацвярджае, што сістэматычная дакладная каліброўка з выкарыстаннем лазернай інтэрфераметрыі для аб'ёмнага геаметрычнага картаграфавання памылак і наступнай кампенсацыі кантролерам ЧПУ вельмі эфектыўная для ліквідацыі памылак кануснасці ў валах, апрацаваных на станках з ЧПУ. Эксперыментальныя вынікі паказалі зніжэнне, якое перавышае 89%, дасягнуўшы рэшткавай кануснасці менш за 2 мкм/100 мм. Асноўным механізмам з'яўляецца дакладная кампенсацыя памылак лінейнага пазіцыянавання і вуглавых адхіленняў (танг, рысканне) па восях станка. Асноўныя высновы:

1. Поўнае картаграфаванне геаметрычных памылак мае вырашальнае значэнне для вызначэння канкрэтных адхіленняў, якія выклікаюць канічнасць.

2. Непасрэдная кампенсацыя гэтых адхіленняў у кантролеры ЧПУ забяспечвае вельмі эфектыўнае рашэнне.

3. Пратакол забяспечвае значнае паляпшэнне дакладнасці памераў з выкарыстаннем стандартных метралагічных інструментаў.