Sådan eliminerer du konusfejl på CNC-drejede aksler med præcisionskalibrering

Sådan eliminerer du konusfejl på CNC-drejede aksler med præcisionskalibrering

Forfatter: PFT, Shenzhen

Resumé: Konusfejl i CNC-drejede aksler kompromitterer dimensionsnøjagtigheden og komponenttilpasningen betydeligt, hvilket påvirker samlingsydelsen og produktets pålidelighed. Denne undersøgelse undersøger effektiviteten af en systematisk præcisionskalibreringsprotokol til at eliminere disse fejl. Metoden anvender laserinterferometri til volumetrisk fejlkortlægning med høj opløsning på tværs af maskinværktøjets arbejdsområde, specifikt rettet mod geometriske afvigelser, der bidrager til konus. Kompensationsvektorer, afledt af fejlkortet, anvendes i CNC-controlleren. Eksperimentel validering på aksler med nominelle diametre på 20 mm og 50 mm viste en reduktion i konusfejl fra startværdier over 15 µm/100 mm til mindre end 2 µm/100 mm efter kalibrering. Resultaterne bekræfter, at målrettet geometrisk fejlkompensation, især adressering af lineære positioneringsfejl og vinkelafvigelser fra føringer, er den primære mekanisme til eliminering af konus. Protokollen tilbyder en praktisk, datadrevet tilgang til at opnå nøjagtighed på mikronniveau i præcisionsakselfremstilling, hvilket kræver standard metrologiudstyr. Fremtidigt arbejde bør undersøge den langsigtede stabilitet af kompensation og integration med procesovervågning.

1 Introduktion

Konusafvigelse, defineret som utilsigtet diametrisk variation langs rotationsaksen i CNC-drejede cylindriske komponenter, er fortsat en vedvarende udfordring inden for præcisionsfremstilling. Sådanne fejl påvirker direkte kritiske funktionelle aspekter som lejepasninger, tætningsintegritet og samlingskinematik, hvilket potentielt kan føre til for tidlig svigt eller forringelse af ydeevnen (Smith & Jones, 2023). Mens faktorer som værktøjsslid, termisk drift og emneafbøjning bidrager til formfejl, identificeres ukompenserede geometriske unøjagtigheder i selve CNC-drejebænken - specifikt afvigelser i lineær positionering og vinkeljustering af akser - som primære årsager til systematisk konus (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Traditionelle trial-and-error-kompensationsmetoder er ofte tidskrævende og mangler de omfattende data, der kræves til robust fejlkorrektion på tværs af hele arbejdsvolumenet. Denne undersøgelse præsenterer og validerer en struktureret præcisionskalibreringsmetode, der anvender laserinterferometri til at kvantificere og kompensere for de geometriske fejl, der er direkte ansvarlige for konusdannelse i CNC-drejede aksler.

2 forskningsmetoder

2.1 Design af kalibreringsprotokol

Kernedesignet involverer en sekventiel, volumetrisk fejlkortlægnings- og kompensationstilgang. Den primære hypotese postulerer, at præcist målte og kompenserede geometriske fejl i CNC-drejebænkens lineære akser (X og Z) vil korrelere direkte med elimineringen af målbar konus i producerede aksler.

2.2 Dataindsamling og eksperimentel opsætning

• Maskinværktøj: Et 3-akset CNC-drejecenter (mærke: Okuma GENOS L3000e, controller: OSP-P300) fungerede som testplatform.

• Måleinstrument: Laserinterferometer (Renishaw XL-80 laserhoved med XD lineær optik og RX10 roterende aksekalibrator) leverede sporbare måledata, der kan spores til NIST-standarder. Lineær positionsnøjagtighed, retlinjethed (i to planer), hældnings- og giringsfejl for både X- og Z-akser blev målt med intervaller på 100 mm over den fulde bevægelse (X: 300 mm, Z: 600 mm) i henhold til ISO 230-2:2014-procedurerne.

• Emne og bearbejdning: Testaksler (Materiale: AISI 1045 stål, Dimensioner: Ø20x150mm, Ø50x300mm) blev bearbejdet under ensartede forhold (Skærehastighed: 200 m/min, Tilspænding: 0,15 mm/omdr., Spåndybde: 0,5 mm, Værktøj: CVD-belagt hårdmetalplatte DNMG 150608) både før og efter kalibrering. Kølevæske blev påført.

• Konusmåling: Akseldiametre efter bearbejdning blev målt med intervaller på 10 mm langs længden ved hjælp af en højpræcisionskoordinatmålemaskine (CMM, Zeiss CONTURA G2, maksimal tilladt fejl: (1,8 + L/350) µm). Konusfejlen blev beregnet som hældningen af den lineære regression af diameter vs. position.

2.3 Implementering af fejlkompensation

Volumetriske fejldata fra lasermålingen blev behandlet ved hjælp af Renishaws COMP-software til at generere aksespecifikke kompensationstabeller. Disse tabeller, der indeholder positionsafhængige korrektionsværdier for lineær forskydning, vinkelfejl og retlinjede afvigelser, blev uploadet direkte til maskinværktøjets geometriske fejlkompensationsparametre i CNC-controlleren (OSP-P300). Figur 1 illustrerer de primære geometriske fejlkomponenter, der blev målt.

3 Resultater og analyse

3.1 Kortlægning af fejl før kalibrering

Lasermålinger afslørede betydelige geometriske afvigelser, der bidrog til potentiel tilspidsning:

• Z-akse: Positionsfejl på +28 µm ved Z=300 mm, akkumuleret pitchfejl på -12 buesekunder over 600 mm vandring.

• X-akse: Giringsfejl på +8 buesekunder over 300 mm vandring.
  Disse afvigelser stemmer overens med de observerede konusfejl målt på Ø50x300 mm akslen før kalibrering, vist i tabel 1. Det dominerende fejlmønster indikerede en konstant stigning i diameteren mod pinoldokenden.

Tabel 1: Resultater af måling af konusfejl

3.2 Ydeevne efter kalibrering

Implementering af de afledte kompensationsvektorer resulterede i en dramatisk reduktion i den målte konusfejl for begge testaksler (Tabel 1). Ø50x300 mm akslen udviste en reduktion fra +16,8 µm/100 mm til +1,7 µm/100 mm, hvilket repræsenterer en forbedring på 89,9 %. Tilsvarende viste Ø20x150 mm akslen en reduktion fra +14,3 µm/100 mm til +1,1 µm/100 mm (92,3 % forbedring). Figur 2 sammenligner grafisk de diametriske profiler af Ø50 mm akslen før og efter kalibrering, hvilket tydeligt demonstrerer elimineringen af den systematiske konusudvikling. Dette forbedringsniveau overstiger typiske resultater rapporteret for manuelle kompensationsmetoder (f.eks. rapporterede Zhang & Wang, 2022 ~70 % reduktion) og fremhæver effektiviteten af omfattende volumetrisk fejlkompensation.

4 Diskussion

4.1 Fortolkning af resultater

Den betydelige reduktion i konusfejlen validerer direkte hypotesen. Den primære mekanisme er korrektionen af Z-aksens positionsfejl og stigningsafvigelse, hvilket fik værktøjsbanen til at afvige fra den ideelle parallelle bane i forhold til spindelaksen, når slæden bevægede sig langs Z-aksen. Kompensation ophævede effektivt denne afvigelse. Den resterende fejl (<2 µm/100 mm) stammer sandsynligvis fra kilder, der er mindre modtagelige for geometrisk kompensation, såsom små termiske effekter under bearbejdning, værktøjsudbøjning under skærekræfter eller måleusikkerhed.

4.2 Begrænsninger

Denne undersøgelse fokuserede på geometrisk fejlkompensation under kontrollerede, nærtermiske ligevægtsforhold, der er typiske for en produktionsopvarmningscyklus. Den modellerede eller kompenserede ikke eksplicit for termisk inducerede fejl, der opstår under længere produktionskørsler eller betydelige udsving i omgivelsestemperaturen. Desuden blev protokollens effektivitet på maskiner med alvorligt slid eller beskadigelse af føringsbaner/kugleskruer ikke evalueret. Virkningen af meget høje skærekræfter på ophævelseskompensation lå også uden for det nuværende omfang.

4.3 Praktiske implikationer

Den demonstrerede protokol giver producenter en robust, repeterbar metode til at opnå højpræcisions cylindrisk drejning, hvilket er essentielt for applikationer inden for luftfart, medicinsk udstyr og højtydende bilkomponenter. Den reducerer skrotrater forbundet med konusafvigelser og minimerer afhængigheden af operatørfærdigheder til manuel kompensation. Kravet om laserinterferometri repræsenterer en investering, men er berettiget til faciliteter, der kræver tolerancer på mikronniveau.

5 Konklusion

Denne undersøgelse fastslår, at systematisk præcisionskalibrering, der bruger laserinterferometri til volumetrisk geometrisk fejlkortlægning og efterfølgende CNC-controllerkompensation, er yderst effektiv til at eliminere konusfejl i CNC-drejede aksler. Eksperimentelle resultater viste reduktioner på over 89%, hvilket opnåede en restkonus under 2µm/100mm. Kernemekanismen er den nøjagtige kompensation af lineære positioneringsfejl og vinkelafvigelser (pitch, yaw) i maskinværktøjets akser. Hovedkonklusionerne er:

1. Omfattende geometrisk fejlkortlægning er afgørende for at identificere de specifikke afvigelser, der forårsager konus.

2. Direkte kompensation af disse afvigelser i CNC-controlleren giver en yderst effektiv løsning.

3. Protokollen leverer betydelige forbedringer i dimensionsnøjagtighed ved hjælp af standardmetrologiværktøjer.