Com eliminar errors de conicitat en eixos tornejats per CNC amb calibratge de precisió

Com eliminar errors de conicitat en eixos tornejats per CNC amb calibratge de precisió

Autor: PFT, Shenzhen

Resum: Els errors de conicitat en eixos tornejats per CNC comprometen significativament la precisió dimensional i l'ajust dels components, cosa que afecta el rendiment del muntatge i la fiabilitat del producte. Aquest estudi investiga l'eficàcia d'un protocol de calibratge de precisió sistemàtic per eliminar aquests errors. La metodologia utilitza interferometria làser per al mapatge d'errors volumètrics d'alta resolució a l'espai de treball de la màquina-eina, dirigint-se específicament a les desviacions geomètriques que contribueixen a la conicitat. Els vectors de compensació, derivats del mapa d'errors, s'apliquen dins del controlador CNC. La validació experimental en eixos amb diàmetres nominals de 20 mm i 50 mm va demostrar una reducció de l'error de conicitat des de valors inicials superiors a 15 µm/100 mm fins a menys de 2 µm/100 mm després del calibratge. Els resultats confirmen que la compensació d'errors geomètrics dirigida, en particular abordant els errors de posicionament lineal i les desviacions angulars de les guies, és el mecanisme principal per a l'eliminació de la conicitat. El protocol ofereix un enfocament pràctic i basat en dades per aconseguir una precisió a nivell de micres en la fabricació d'eixos de precisió, que requereix equips de metrologia estàndard. Els treballs futurs haurien d'explorar l'estabilitat a llarg termini de la compensació i la integració amb la monitorització en procés.

1 Introducció

La desviació de la conicitat, definida com la variació diamètrica no intencionada al llarg de l'eix de rotació en components cilíndrics tornejats per CNC, continua sent un repte persistent en la fabricació de precisió. Aquests errors impacten directament en aspectes funcionals crítics com els ajustaments dels coixinets, la integritat del segellat i la cinemàtica del muntatge, cosa que pot conduir a una fallada prematura o a una degradació del rendiment (Smith & Jones, 2023). Si bé factors com el desgast de l'eina, la deriva tèrmica i la desviació de la peça contribueixen als errors de forma, les inexactituds geomètriques no compensades dins del torn CNC, concretament les desviacions en el posicionament lineal i l'alineació angular dels eixos, s'identifiquen com a causes principals de la conicitat sistemàtica (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Els mètodes tradicionals de compensació per assaig i error sovint requereixen molt de temps i no disposen de les dades completes necessàries per a una correcció d'errors robusta en tot el volum de treball. Aquest estudi presenta i valida una metodologia de calibratge de precisió estructurada que utilitza interferometria làser per quantificar i compensar els errors geomètrics directament responsables de la formació de la conicitat en eixos tornejats per CNC.

2 Mètodes de Recerca

2.1 Disseny del protocol de calibratge

El disseny principal implica un mapatge i compensació d'errors volumètrics seqüencials. La hipòtesi principal postula que els errors geomètrics mesurats i compensats amb precisió dels eixos lineals del torn CNC (X i Z) es correlacionaran directament amb l'eliminació de la conicitat mesurable en els eixos produïts.

2.2 Adquisició de dades i configuració experimental

• Màquina eina: Un centre de tornejat CNC de 3 eixos (marca: Okuma GENOS L3000e, controlador: OSP-P300) va servir com a plataforma de proves.

• Instrument de mesura: L'interferòmetre làser (capçal làser Renishaw XL-80 amb òptica lineal XD i calibrador d'eix rotatiu RX10) va proporcionar dades de mesura rastrejables segons els estàndards NIST. La precisió posicional lineal, la rectitud (en dos plans), els errors de pas i de guinyada per als eixos X i Z es van mesurar a intervals de 100 mm durant tot el recorregut (X: 300 mm, Z: 600 mm), seguint els procediments de la norma ISO 230-2:2014.

• Peça i mecanitzat: Es van mecanitzar eixos de prova (material: acer AISI 1045, dimensions: Ø20x150 mm, Ø50x300 mm) en condicions consistents (velocitat de tall: 200 m/min, avanç: 0,15 mm/rev, profunditat de tall: 0,5 mm, eina: inserció de carbur recoberta de CVD DNMG 150608) tant abans com després del calibratge. Es va aplicar refrigerant.

• Mesura de la conicitat: Els diàmetres de l'eix posteriors al mecanitzat es van mesurar a intervals de 10 mm al llarg de la longitud utilitzant una màquina de mesura de coordenades d'alta precisió (CMM, Zeiss CONTURA G2, error màxim permès: (1,8 + L/350) µm). L'error de conicitat es va calcular com el pendent de la regressió lineal del diàmetre respecte a la posició.

2.3 Implementació de la compensació d'errors

Les dades d'error volumètric del mesurament làser es van processar amb el programari COMP de Renishaw per generar taules de compensació específiques per eix. Aquestes taules, que contenien valors de correcció dependents de la posició per al desplaçament lineal, els errors angulars i les desviacions de rectitud, es van carregar directament als paràmetres de compensació d'errors geomètrics de la màquina-eina dins del controlador CNC (OSP-P300). La figura 1 il·lustra els components principals de l'error geomètric mesurats.

3 Resultats i anàlisi

3.1 Mapatge d'errors de precalibratge

La mesura làser va revelar desviacions geomètriques significatives que contribueixen a una possible conicitat:

• Eix Z: Error de posició de +28 µm a Z=300 mm, acumulació d'error de pas de -12 arcsec en un recorregut de 600 mm.

• Eix X: error de guinyada de +8 arcsec en un recorregut de 300 mm.
  Aquestes desviacions s'alineen amb els errors de conicitat observats durant el precalibratge mesurats a l'eix de Ø50x300 mm, que es mostren a la Taula 1. El patró d'error dominant indicava un augment constant del diàmetre cap a l'extrem del contrapunt.

Taula 1: Resultats de la mesura de l'error de conicitat

3.2 Rendiment posterior al calibratge

La implementació dels vectors de compensació derivats va resultar en una reducció dràstica de l'error de conicitat mesurat per a tots dos eixos de prova (Taula 1). L'eix de Ø50x300 mm va mostrar una reducció de +16,8 µm/100 mm a +1,7 µm/100 mm, cosa que representa una millora del 89,9%. De la mateixa manera, l'eix de Ø20x150 mm va mostrar una reducció de +14,3 µm/100 mm a +1,1 µm/100 mm (millora del 92,3%). La Figura 2 compara gràficament els perfils diamètrics de l'eix de Ø50 mm abans i després del calibratge, cosa que demostra clarament l'eliminació de la tendència sistemàtica de la conicitat. Aquest nivell de millora supera els resultats típics reportats per a mètodes de compensació manuals (per exemple, Zhang i Wang, 2022 van reportar una reducció del ~70%) i destaca l'eficàcia de la compensació volumètrica completa de l'error.

4 Discussió

4.1 Interpretació dels resultats

La reducció significativa de l'error de conicitat valida directament la hipòtesi. El mecanisme principal és la correcció de l'error de posició de l'eix Z i la desviació del pas, que feien que la trajectòria de l'eina es desviés de la trajectòria paral·lela ideal respecte a l'eix del cargol a mesura que el carro es movia al llarg de Z. La compensació va anul·lar eficaçment aquesta divergència. L'error residual (<2 µm/100 mm) probablement prové de fonts menys susceptibles de compensació geomètrica, com ara efectes tèrmics minúsculs durant el mecanitzat, la desviació de l'eina sota forces de tall o la incertesa de la mesura.

4.2 Limitacions

Aquest estudi es va centrar en la compensació d'errors geomètrics en condicions controlades, gairebé d'equilibri tèrmic, típiques d'un cicle d'escalfament de la producció. No va modelar ni compensar explícitament els errors induïts tèrmicament que es produeixen durant cicles de producció prolongats o fluctuacions significatives de la temperatura ambient. A més, no es va avaluar l'eficàcia del protocol en màquines amb desgast o danys greus a les guies/cargols de boles. L'impacte de forces de tall molt elevades en la compensació anul·ladora també estava fora de l'abast actual.

4.3 Implicacions pràctiques

El protocol demostrat proporciona als fabricants un mètode robust i repetible per aconseguir tornejat cilíndric d'alta precisió, essencial per a aplicacions en la indústria aeroespacial, dispositius mèdics i components d'automoció d'alt rendiment. Redueix les taxes de rebuig associades a les no conformitats de la conicitat i minimitza la dependència de l'habilitat de l'operador per a la compensació manual. El requisit d'interferometria làser representa una inversió, però està justificat per a instal·lacions que exigeixen toleràncies a nivell de micres.

5 Conclusió

Aquest estudi estableix que la calibració sistemàtica de precisió, utilitzant interferometria làser per al mapatge d'errors geomètrics volumètrics i la posterior compensació del controlador CNC, és altament eficaç per eliminar els errors de conicitat en eixos tornejats per CNC. Els resultats experimentals van demostrar reduccions superiors al 89%, aconseguint una conicitat residual inferior a 2 µm/100 mm. El mecanisme principal és la compensació precisa dels errors de posicionament lineal i les desviacions angulars (pas, guinyada) en els eixos de la màquina-eina. Les conclusions principals són:

1. Un mapatge geomètric complet d'errors és fonamental per identificar les desviacions específiques que causen la conicitat.

2. La compensació directa d'aquestes desviacions dins del controlador CNC proporciona una solució altament eficaç.

3. El protocol ofereix millores significatives en la precisió dimensional utilitzant eines de metrologia estàndard.