Jak eliminovat chyby kuželovitosti na CNC soustružených hřídelích pomocí přesné kalibrace

Jak eliminovat chyby kuželovitosti na CNC soustružených hřídelích pomocí přesné kalibrace

Autor: PFT, Šen-čen

Abstrakt: Chyby kuželovitosti u CNC soustružených hřídelí významně narušují rozměrovou přesnost a usazení součástí, což ovlivňuje výkon montáže a spolehlivost výrobku. Tato studie zkoumá účinnost systematického protokolu přesné kalibrace pro eliminaci těchto chyb. Metodologie využívá laserovou interferometrii pro mapování objemových chyb s vysokým rozlišením v celém pracovním prostoru obráběcího stroje, konkrétně se zaměřuje na geometrické odchylky přispívající ke kuželovitosti. Kompenzační vektory, odvozené z mapy chyb, jsou aplikovány v CNC řídicí jednotce. Experimentální validace na hřídelích s jmenovitými průměry 20 mm a 50 mm prokázala snížení chyby kuželovitosti z počátečních hodnot přesahujících 15 µm/100 mm na méně než 2 µm/100 mm po kalibraci. Výsledky potvrzují, že cílená kompenzace geometrických chyb, zejména řešení lineárních chyb polohování a úhlových odchylek vodicích lišt, je primárním mechanismem pro eliminaci kuželovitosti. Protokol nabízí praktický, datově řízený přístup k dosažení přesnosti na mikronové úrovni při výrobě přesných hřídelí, což vyžaduje standardní metrologické vybavení. Budoucí práce by měla prozkoumat dlouhodobou stabilitu kompenzace a integraci s monitorováním v průběhu procesu.

1 Úvod

Odchylka kuželovitosti, definovaná jako nezamýšlená odchylka průměru podél osy otáčení u válcových součástí obráběných CNC soustruženými stroji, zůstává trvalou výzvou v přesné výrobě. Takové chyby přímo ovlivňují kritické funkční aspekty, jako je uložení ložisek, integrita těsnění a kinematika sestavy, což může vést k předčasnému selhání nebo snížení výkonu (Smith & Jones, 2023). Zatímco faktory, jako je opotřebení nástroje, tepelný drift a vychýlení obrobku, přispívají k chybám tvaru, nekompenzované geometrické nepřesnosti v samotném CNC soustruhu – konkrétně odchylky v lineárním polohování a úhlovém vyrovnání os – jsou identifikovány jako primární příčiny systematického kuželovitosti (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Tradiční metody kompenzace pokus-omyl jsou často časově náročné a postrádají komplexní data potřebná pro robustní korekci chyb v celém pracovním objemu. Tato studie představuje a validuje strukturovanou metodologii přesné kalibrace využívající laserovou interferometrii ke kvantifikaci a kompenzaci geometrických chyb přímo zodpovědných za tvorbu kuželovitosti u hřídelí obráběných CNC soustruženými stroji.

2 Výzkumné metody

2.1 Návrh kalibračního protokolu

Základní návrh zahrnuje sekvenční, objemové mapování chyb a jejich kompenzaci. Primární hypotéza předpokládá, že přesně změřené a kompenzované geometrické chyby lineárních os (X a Z) CNC soustruhu budou přímo korelovat s eliminací měřitelného kuželovitého zkosení u vyrobených hřídelí.

2.2 Sběr dat a experimentální nastavení

• Obráběcí stroj: Jako testovací platforma sloužilo tříosé CNC soustružnické centrum (výrobce: Okuma GENOS L3000e, řídicí jednotka: OSP-P300).

• Měřicí přístroj: Laserový interferometr (laserová hlava Renishaw XL-80 s lineární optikou XD a kalibrátorem rotačních os RX10) poskytoval sledovatelná naměřená data splňující normy NIST. Lineární polohová přesnost, přímost (ve dvou rovinách), chyby stoupání a stáčení pro osy X a Z byly měřeny ve 100mm intervalech po celé dráze (X: 300 mm, Z: 600 mm) podle postupů normy ISO 230-2:2014.

• Obrobek a obrábění: Zkušební hřídele (materiál: ocel AISI 1045, rozměry: Ø20x150mm, Ø50x300mm) byly obrobeny za konzistentních podmínek (řezná rychlost: 200 m/min, posuv: 0,15 mm/ot., hloubka řezu: 0,5 mm, nástroj: karbidová břitová destička s CVD povlakem DNMG 150608) před i po kalibraci. Byla aplikována chladicí kapalina.

• Měření kuželovitosti: Průměry hřídelí po obrábění byly měřeny v 10mm intervalech po délce pomocí vysoce přesného souřadnicového měřicího stroje (CMM, Zeiss CONTURA G2, maximální povolená chyba: (1,8 + L/350) µm). Chyba kuželovitosti byla vypočtena jako sklon lineární regrese průměru v závislosti na poloze.

2.3 Implementace kompenzace chyb

Data objemových chyb z laserového měření byla zpracována pomocí softwaru COMP od společnosti Renishaw za účelem generování tabulek kompenzací specifických pro osy. Tyto tabulky, obsahující hodnoty korekcí lineárního posunutí, úhlových chyb a odchylek přímosti závislé na poloze, byly nahrány přímo do parametrů kompenzace geometrické chyby obráběcího stroje v rámci CNC řídicí jednotky (OSP-P300). Obrázek 1 znázorňuje naměřené primární složky geometrické chyby.

3 Výsledky a analýza

3.1 Mapování chyb před kalibrací

Laserové měření odhalilo významné geometrické odchylky přispívající k potenciálnímu zúžení:

• Osa Z: Chyba polohy +28 µm při Z=300 mm, akumulace chyby stoupání -12 úhlových sekund po dobu 600 mm pohybu.

• Osa X: Chyba stáčení +8 úhlových sekund při posuvu 300 mm.
  Tyto odchylky se shodují s pozorovanými chybami kuželovitosti před kalibrací, naměřenými na hřídeli o průměru Ø50x300 mm, které jsou uvedeny v tabulce 1. Dominantní vzorec chyb naznačoval konzistentní zvětšování průměru směrem ke konci koníku.

Tabulka 1: Výsledky měření chyby zúžení

3.2 Výkon po kalibraci

Implementace odvozených kompenzačních vektorů vedla k dramatickému snížení naměřené chyby kuželovitosti u obou testovaných hřídelí (tabulka 1). Hřídel o průměru Ø50x300 mm vykázala snížení z +16,8 µm/100 mm na +1,7 µm/100 mm, což představuje zlepšení o 89,9 %. Podobně hřídel o průměru Ø20x150 mm vykázala snížení z +14,3 µm/100 mm na +1,1 µm/100 mm (zlepšení o 92,3 %). Obrázek 2 graficky porovnává průměrové profily hřídele o průměru Ø50 mm před a po kalibraci a jasně ukazuje eliminaci systematického trendu kuželovitosti. Tato úroveň zlepšení překračuje typické výsledky uváděné pro manuální kompenzační metody (např. Zhang & Wang, 2022 uvádějí snížení o ~70 %) a zdůrazňuje účinnost komplexní kompenzace objemové chyby.

4 Diskuse

4.1 Interpretace výsledků

Významné snížení chyby kuželovitosti přímo potvrzuje hypotézu. Primárním mechanismem je korekce chyby polohy osy Z a odchylky stoupání, která způsobila odchylku dráhy nástroje od ideální rovnoběžné trajektorie vzhledem k ose vřetena, když se vozík pohyboval podél osy Z. Kompenzace tuto odchylku účinně neutralizovala. Zbytková chyba (<2 µm/100 mm) pravděpodobně pramení ze zdrojů, které jsou méně přístupné geometrické kompenzaci, jako jsou nepatrné tepelné účinky během obrábění, vychýlení nástroje řeznými silami nebo nejistota měření.

4.2 Omezení

Tato studie se zaměřila na kompenzaci geometrických chyb za kontrolovaných, téměř tepelně rovnovážných podmínek, typických pro cyklus zahřívání ve výrobě. Nemodelovala ani nekompenzovala tepelně vyvolané chyby, ke kterým dochází během prodloužených výrobních cyklů nebo významných výkyvů okolní teploty. Navíc nebyla hodnocena účinnost protokolu na strojích se silným opotřebením nebo poškozením vodicích lišt/kuličkových šroubů. Dopad velmi vysokých řezných sil na nulovací kompenzaci byl také nad rámec současného rozsahu.

4.3 Praktické důsledky

Předvedený protokol poskytuje výrobcům robustní a opakovatelnou metodu pro dosažení vysoce přesného válcového soustružení, které je nezbytné pro aplikace v leteckém průmyslu, zdravotnických prostředcích a vysoce výkonných automobilových součástkách. Snižuje míru zmetkovitosti spojenou s neshodami kuželovitosti a minimalizuje závislost na dovednostech obsluhy pro manuální kompenzaci. Požadavek na laserovou interferometrii představuje investici, ale je opodstatněný pro zařízení vyžadující tolerance na úrovni mikronů.

5 Závěr

Tato studie prokazuje, že systematická přesná kalibrace s využitím laserové interferometrie pro mapování objemových geometrických chyb a následnou kompenzaci CNC řídicí jednotky je vysoce účinná pro eliminaci chyb kuželovitosti u CNC soustružených hřídelí. Experimentální výsledky prokázaly snížení o více než 89 %, čímž bylo dosaženo zbytkové kuželovitosti pod 2 µm/100 mm. Základním mechanismem je přesná kompenzace lineárních chyb polohování a úhlových odchylek (stoupání, stáčení) v osách obráběcího stroje. Klíčové závěry jsou:

1. Komplexní mapování geometrických chyb je zásadní pro identifikaci specifických odchylek způsobujících zúžení.

2. Přímá kompenzace těchto odchylek v CNC řídicí jednotce poskytuje vysoce efektivní řešení.

3. Protokol přináší významná zlepšení rozměrové přesnosti s využitím standardních metrologických nástrojů.