Kako eliminirati greške konusa na CNC tokarenim osovinama pomoću precizne kalibracije

Kako eliminirati greške konusa na CNC tokarenim osovinama pomoću precizne kalibracije

Autor: PFT, Šenžen

Sažetak: Greške konusa kod CNC tokarenih osovina značajno ugrožavaju dimenzionalnu tačnost i pristajanje komponenti, utičući na performanse sklopa i pouzdanost proizvoda. Ova studija istražuje efikasnost sistematskog protokola precizne kalibracije za eliminisanje ovih grešaka. Metodologija koristi lasersku interferometriju za mapiranje volumetrijskih grešaka visoke rezolucije u radnom prostoru alatne mašine, posebno ciljajući geometrijska odstupanja koja doprinose konusu. Vektori kompenzacije, izvedeni iz mape grešaka, primjenjuju se unutar CNC kontrolera. Eksperimentalna validacija na osovinama nominalnih prečnika od 20 mm i 50 mm pokazala je smanjenje greške konusa sa početnih vrijednosti koje prelaze 15 µm/100 mm na manje od 2 µm/100 mm nakon kalibracije. Rezultati potvrđuju da je ciljana kompenzacija geometrijskih grešaka, posebno adresiranje linearnih grešaka pozicioniranja i ugaonih odstupanja vodilica, primarni mehanizam za eliminaciju konusa. Protokol nudi praktičan, podacima vođen pristup za postizanje tačnosti na nivou mikrona u preciznoj proizvodnji osovina, što zahtijeva standardnu metrološku opremu. Budući rad treba da istraži dugoročnu stabilnost kompenzacije i integraciju sa praćenjem tokom procesa.

1 Uvod

Odstupanje konusa, definirano kao nenamjerna varijacija promjera duž ose rotacije u cilindričnim komponentama obrađenim CNC struganjem, ostaje stalan izazov u preciznoj proizvodnji. Takve greške direktno utiču na kritične funkcionalne aspekte poput dosjeda ležajeva, integriteta zaptivki i kinematike sklopa, što potencijalno dovodi do preranog kvara ili degradacije performansi (Smith & Jones, 2023). Dok faktori poput trošenja alata, termičkog pomaka i otklona obratka doprinose greškama u obliku, nekompenzirane geometrijske netačnosti unutar samog CNC struga - posebno odstupanja u linearnom pozicioniranju i ugaonom poravnanju osa - identificirane su kao primarni uzroci sistematskog konusa (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Tradicionalne metode kompenzacije pokušaja i grešaka često oduzimaju puno vremena i nedostaju im sveobuhvatni podaci potrebni za robusnu korekciju grešaka u cijelom radnom volumenu. Ova studija predstavlja i validira strukturiranu metodologiju precizne kalibracije koja koristi lasersku interferometriju za kvantificiranje i kompenzaciju geometrijskih grešaka direktno odgovornih za formiranje konusa u osovinama obrađenim CNC struganjem.

2 Metode istraživanja

2.1 Dizajn protokola kalibracije

Dizajn jezgra uključuje sekvencijalni, volumetrijski pristup mapiranja i kompenzacije grešaka. Primarna hipoteza postavlja da će precizno izmjerene i kompenzirane geometrijske greške linearnih osa (X i Z) CNC tokarilice direktno korelirati s eliminacijom mjerljivog konusa u proizvedenim osovinama.

2.2 Prikupljanje podataka i eksperimentalna postavka

• Mašinski alat: Kao testna platforma poslužio je 3-osni CNC tokarski centar (proizvođač: Okuma GENOS L3000e, kontroler: OSP-P300).

• Mjerni instrument: Laserski interferometar (laserska glava Renishaw XL-80 sa XD linearnom optikom i RX10 kalibratorom rotacijske ose) pružio je sljedive podatke mjerenja koji se mogu pratiti do NIST standarda. Linearna tačnost pozicioniranja, pravolinijost (u dvije ravni), greške nagiba i skretanja za X i Z ose mjerene su u intervalima od 100 mm tokom cijelog kretanja (X: 300 mm, Z: 600 mm), slijedeći procedure ISO 230-2:2014.

• Obradak i mašinska obrada: Ispitne osovine (Materijal: čelik AISI 1045, Dimenzije: Ø20x150mm, Ø50x300mm) su obrađene pod konzistentnim uslovima (brzina rezanja: 200 m/min, posmak: 0,15 mm/okr, dubina rezanja: 0,5 mm, Alat: CVD-obložena karbidna pločica DNMG 150608) i prije i poslije kalibracije. Primijenjena je rashladna tečnost.

• Mjerenje konusa: Prečnici osovine nakon obrade mjereni su u intervalima od 10 mm duž cijele dužine pomoću visokoprecizne koordinatne mjerne mašine (CMM, Zeiss CONTURA G2, maksimalno dozvoljena greška: (1,8 + L/350) µm). Greška konusa izračunata je kao nagib linearne regresije prečnika u odnosu na položaj.

2.3 Implementacija kompenzacije grešaka

Podaci o volumetrijskim greškama iz laserskog mjerenja obrađeni su korištenjem Renishawovog COMP softvera za generiranje tabela kompenzacije specifičnih za ose. Ove tabele, koje sadrže vrijednosti korekcije zavisne od položaja za linearni pomak, ugaone greške i odstupanja od pravolinijosti, direktno su učitane u parametre kompenzacije geometrijske greške alatne mašine unutar CNC kontrolera (OSP-P300). Slika 1 ilustruje izmjerene primarne komponente geometrijske greške.

3 Rezultati i analiza

3.1 Mapiranje grešaka prije kalibracije

Lasersko mjerenje otkrilo je značajna geometrijska odstupanja koja doprinose potencijalnom suženju:

• Z-osa: Greška položaja od +28µm na Z=300mm, akumulacija greške koraka od -12 lučnih sekundi tokom kretanja od 600mm.

• X-osa: Greška skretanja od +8 lučnih sekundi preko 300 mm hoda.
  Ova odstupanja se poklapaju sa uočenim greškama konusa prije kalibracije, izmjerenim na osovini Ø50x300 mm, prikazanim u Tabeli 1. Dominantni obrazac greške ukazivao je na konzistentno povećanje prečnika prema kraju kontrilja.

Tabela 1: Rezultati mjerenja greške konusa

3.2 Performanse nakon kalibracije

Implementacija izvedenih vektora kompenzacije rezultirala je dramatičnim smanjenjem izmjerene greške konusnosti za obje testne osovine (Tabela 1). Osovina Ø50x300mm pokazala je smanjenje sa +16,8µm/100mm na +1,7µm/100mm, što predstavlja poboljšanje od 89,9%. Slično tome, osovina Ø20x150mm pokazala je smanjenje sa +14,3µm/100mm na +1,1µm/100mm (poboljšanje od 92,3%). Slika 2 grafički upoređuje dijametralne profile osovine Ø50mm prije i nakon kalibracije, jasno demonstrirajući eliminaciju sistematskog trenda konusnosti. Ovaj nivo poboljšanja premašuje tipične rezultate prijavljene za ručne metode kompenzacije (npr. Zhang & Wang, 2022. izvijestili su o smanjenju od ~70%) i ističe efikasnost sveobuhvatne kompenzacije volumetrijske greške.

4 Diskusija

4.1 Interpretacija rezultata

Značajno smanjenje greške konusa direktno potvrđuje hipotezu. Primarni mehanizam je korekcija greške položaja Z-ose i odstupanja koraka, što je uzrokovalo odstupanje putanje alata od idealne paralelne putanje u odnosu na osu vretena dok se kolica kretao duž Z-ose. Kompenzacija je efikasno poništila ovo odstupanje. Preostala greška (<2µm/100mm) vjerovatno potiče od izvora koji su manje podložni geometrijskoj kompenzaciji, kao što su mali termički efekti tokom obrade, otklon alata pod silama rezanja ili nesigurnost mjerenja.

4.2 Ograničenja

Ova studija se fokusirala na kompenzaciju geometrijskih grešaka pod kontrolisanim, gotovo termički ravnotežnim uslovima tipičnim za ciklus zagrijavanja u proizvodnji. Nije eksplicitno modelirala niti kompenzirala termički izazvane greške koje se javljaju tokom produženih proizvodnih ciklusa ili značajnih fluktuacija temperature okoline. Nadalje, nije procijenjena efikasnost protokola na mašinama sa jakim habanjem ili oštećenjem vodilica/kugličastih vijaka. Uticaj vrlo visokih sila rezanja na poništavajuću kompenzaciju također je bio izvan trenutnog opsega.

4.3 Praktične implikacije

Demonstrirani protokol pruža proizvođačima robusnu, ponovljivu metodu za postizanje visokopreciznog cilindričnog tokarenja, što je neophodno za primjenu u vazduhoplovstvu, medicinskim uređajima i visokoperformansnim automobilskim komponentama. Smanjuje stopu otpada povezanu s neusklađenostima konusa i minimizira oslanjanje na vještine operatera za ručnu kompenzaciju. Zahtjev za laserskom interferometrijom predstavlja investiciju, ali je opravdan za postrojenja koja zahtijevaju tolerancije na nivou mikrona.

5 Zaključak

Ova studija utvrđuje da je sistematska precizna kalibracija, korištenjem laserske interferometrije za volumetrijsko mapiranje geometrijskih grešaka i naknadnu kompenzaciju CNC kontrolera, vrlo učinkovita u eliminiranju grešaka konusa kod CNC tokarenih osovina. Eksperimentalni rezultati pokazali su smanjenja veća od 89%, postižući preostali konus ispod 2µm/100mm. Osnovni mehanizam je precizna kompenzacija linearnih grešaka pozicioniranja i kutnih odstupanja (nagib, skretanje) u osima alatne mašine. Ključni zaključci su:

1. Sveobuhvatno mapiranje geometrijskih grešaka je ključno za identifikaciju specifičnih odstupanja koja uzrokuju konusnost.

2. Direktna kompenzacija ovih odstupanja unutar CNC kontrolera pruža visoko efikasno rješenje.

3. Protokol pruža značajna poboljšanja u dimenzijskoj tačnosti korištenjem standardnih metroloških alata.