Как устранить погрешности конусности валов, обработанных на станке с ЧПУ, с помощью прецизионной калибровки

Как устранить погрешности конусности валов, обработанных на станке с ЧПУ, с помощью прецизионной калибровки

Автор: PFT, Шэньчжэнь

Аннотация: Погрешности конусности валов, обработанных на станках с ЧПУ, существенно снижают размерную точность и посадку компонентов, что влияет на производительность сборки и надежность изделия. В данном исследовании изучается эффективность систематического протокола прецизионной калибровки для устранения этих погрешностей. Методология использует лазерную интерферометрию для высокоточного картирования объемной погрешности в рабочем пространстве станка, в частности, для выявления геометрических отклонений, способствующих конусности. Векторы компенсации, полученные из карты погрешностей, применяются в контроллере ЧПУ. Экспериментальная проверка на валах с номинальными диаметрами 20 мм и 50 мм продемонстрировала снижение погрешности конусности с начальных значений, превышающих 15 мкм/100 мм, до менее 2 мкм/100 мм после калибровки. Результаты подтверждают, что целенаправленная компенсация геометрической погрешности, в частности, учитывающая погрешности линейного позиционирования и угловые отклонения направляющих, является основным механизмом устранения конусности. Протокол предлагает практичный, основанный на данных подход для достижения точности на микронном уровне при изготовлении прецизионных валов, требующем стандартного метрологического оборудования. В дальнейшей работе необходимо изучить долгосрочную стабильность компенсации и ее интеграцию с внутрипроизводственным мониторингом.

1 Введение

Отклонение конусности, определяемое как непреднамеренное изменение диаметра вдоль оси вращения цилиндрических деталей, обработанных на станках с ЧПУ, остаётся постоянной проблемой в прецизионном производстве. Такие ошибки напрямую влияют на критически важные функциональные аспекты, такие как посадка подшипников, целостность уплотнений и кинематика сборки, что может привести к преждевременному выходу из строя или снижению производительности (Smith & Jones, 2023). В то время как такие факторы, как износ инструмента, тепловой дрейф и прогиб заготовки, способствуют возникновению погрешностей формы, нескомпенсированные геометрические неточности самого токарного станка с ЧПУ, в частности, отклонения в линейном позиционировании и угловом совмещении осей, считаются основными причинами систематической конусности (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Традиционные методы компенсации методом проб и ошибок часто требуют много времени и не обладают исчерпывающими данными, необходимыми для надёжного исправления ошибок во всём рабочем объёме. В данном исследовании представлена и проверена структурированная методология прецизионной калибровки с использованием лазерной интерферометрии для количественной оценки и компенсации геометрических ошибок, непосредственно ответственных за формирование конусности валов, обработанных на станках с ЧПУ.

2 метода исследования

2.1 Разработка протокола калибровки

Основная конструкция включает в себя последовательный подход к картированию и компенсации объёмных погрешностей. Основная гипотеза предполагает, что точно измеренные и компенсированные геометрические погрешности линейных осей токарного станка с ЧПУ (X и Z) будут напрямую коррелировать с устранением измеряемой конусности в изготовленных валах.

2.2 Сбор данных и экспериментальная установка

• Станок: В качестве испытательной платформы использовался 3-осевой токарный центр с ЧПУ (производитель: Okuma GENOS L3000e, контроллер: OSP-P300).

• Измерительный прибор: Лазерный интерферометр (лазерная головка Renishaw XL-80 с линейной оптикой XD и калибратор поворотных осей RX10) обеспечил прослеживаемые данные измерений, соответствующие стандартам NIST. Точность линейного позиционирования, прямолинейность (в двух плоскостях), погрешности тангажа и рыскания по осям X и Z измерялись с интервалом 100 мм на всем протяжении перемещения (X: 300 мм, Z: 600 мм) в соответствии с процедурами ISO 230-2:2014.

• Заготовка и обработка: Тестовые валы (материал: сталь AISI 1045, размеры: Ø20x150 мм, Ø50x300 мм) обрабатывались при постоянных условиях (скорость резания: 200 м/мин, подача: 0,15 мм/об, глубина резания: 0,5 мм, инструмент: твердосплавная пластина с CVD-покрытием DNMG 150608) до и после калибровки. СОЖ применялась.

• Измерение конусности: Диаметры валов после обработки измерялись с интервалом 10 мм по всей длине с помощью высокоточной координатно-измерительной машины (КИМ, Zeiss CONTURA G2, максимально допустимая погрешность: (1,8 + L/350) мкм). Погрешность конусности рассчитывалась как наклон линейной регрессии зависимости диаметра от положения.

2.3 Реализация компенсации ошибок

Данные об объёмных погрешностях, полученные с помощью лазерного измерения, обрабатывались с помощью программного обеспечения COMP компании Renishaw для создания таблиц компенсации по осям. Эти таблицы, содержащие значения коррекции линейного смещения, угловых погрешностей и отклонений от прямолинейности, зависящие от положения, загружались непосредственно в параметры компенсации геометрических погрешностей станка в контроллере ЧПУ (OSP-P300). На рисунке 1 показаны основные измеренные компоненты геометрической погрешности.

3. Результаты и анализ

3.1 Картирование ошибок предварительной калибровки

Лазерное измерение выявило значительные геометрические отклонения, способствующие потенциальной конусности:

• Ось Z: позиционная погрешность +28 мкм при Z=300 мм, накопление погрешности шага -12 угловых секунд за ход 600 мм.

• Ось X: ошибка рыскания +8 угловых секунд на протяжении 300 мм.
  Эти отклонения согласуются с наблюдаемыми ошибками конусности до калибровки, измеренными на валу Ø50x300 мм, показанными в Таблице 1. Доминирующая картина ошибок указывает на последовательное увеличение диаметра по направлению к концу задней бабки.

Таблица 1: Результаты измерения погрешности конусности

3.2 Характеристики после калибровки

Внедрение полученных векторов компенсации привело к резкому снижению измеренной погрешности конусности для обоих испытательных валов (таблица 1). Вал Ø50x300 мм продемонстрировал снижение с +16,8 мкм/100 мм до +1,7 мкм/100 мм, что составляет улучшение на 89,9%. Аналогично, вал Ø20x150 мм показал снижение с +14,3 мкм/100 мм до +1,1 мкм/100 мм (улучшение на 92,3%). На рисунке 2 графически сравниваются диаметральные профили вала Ø50 мм до и после калибровки, что наглядно демонстрирует устранение систематической тенденции к конусности. Этот уровень улучшения превышает типичные результаты, полученные для ручных методов компенсации (например, Чжан и Ван, 2022 сообщили о снижении примерно на 70%) и подчеркивает эффективность комплексной компенсации объемной погрешности.

4 Обсуждение

4.1 Интерпретация результатов

Значительное снижение погрешности конусности напрямую подтверждает эту гипотезу. Основным механизмом является коррекция позиционной погрешности и отклонения шага по оси Z, которые приводили к отклонению траектории инструмента от идеальной параллельности относительно оси шпинделя при перемещении каретки по оси Z. Компенсация фактически свела это отклонение на нет. Остаточная погрешность (<2 мкм/100 мм), вероятно, обусловлена причинами, менее поддающимися геометрической компенсации, такими как незначительные тепловые эффекты во время обработки, отклонение инструмента под действием сил резания или погрешность измерений.

4.2 Ограничения

Данное исследование было сосредоточено на компенсации геометрической погрешности в контролируемых условиях, близких к тепловому равновесию, типичных для цикла разогрева производства. В нём не моделировались и не компенсировались термически обусловленные погрешности, возникающие при длительных производственных циклах или значительных колебаниях температуры окружающей среды. Кроме того, не оценивалась эффективность протокола на станках с сильным износом или повреждением направляющих/ШВП. Влияние очень высоких сил резания на сведение компенсации к нулю также выходит за рамки настоящего исследования.

4.3 Практические выводы

Продемонстрированный протокол предоставляет производителям надежный и воспроизводимый метод высокоточной цилиндрической токарной обработки, необходимый для применения в аэрокосмической промышленности, медицинских приборах и высокопроизводительных автомобильных компонентах. Он снижает процент брака, связанный с несоответствием конусности, и минимизирует зависимость от навыков оператора при ручной компенсации. Необходимость использования лазерной интерферометрии требует инвестиций, но оправдана для предприятий, которым требуются допуски на уровне микронов.

5 Заключение

В настоящем исследовании установлено, что систематическая прецизионная калибровка с использованием лазерной интерферометрии для картирования объёмных геометрических погрешностей и последующей компенсации с помощью контроллера ЧПУ высокоэффективна для устранения погрешностей конусности валов, обработанных на станках с ЧПУ. Экспериментальные результаты продемонстрировали снижение более чем на 89%, что позволило достичь остаточной конусности менее 2 мкм/100 мм. Ключевым механизмом является точная компенсация погрешностей линейного позиционирования и угловых отклонений (тангажа, рыскания) по осям станка. Основные выводы:

1. Комплексное картирование геометрических погрешностей имеет решающее значение для определения конкретных отклонений, вызывающих конусность.

2. Прямая компенсация этих отклонений в контроллере ЧПУ обеспечивает высокоэффективное решение.

3. Протокол обеспечивает значительное повышение точности размеров при использовании стандартных метрологических инструментов.