چگونه با کالیبراسیون دقیق، خطاهای مخروطی شدن در شفت‌های تراشیده شده با CNC را از بین ببریم؟
نویسنده: PFT، شنژن
چکیده: خطاهای مخروطی در شفت‌های تراشیده شده با CNC به طور قابل توجهی دقت ابعادی و تناسب قطعات را به خطر می‌اندازد و بر عملکرد مونتاژ و قابلیت اطمینان محصول تأثیر می‌گذارد. این مطالعه به بررسی اثربخشی یک پروتکل کالیبراسیون دقیق سیستماتیک برای حذف این خطاها می‌پردازد. این روش از تداخل‌سنجی لیزری برای نگاشت خطای حجمی با وضوح بالا در فضای کاری ابزار ماشین استفاده می‌کند، به طور خاص انحرافات هندسی مؤثر در مخروطی شدن را هدف قرار می‌دهد. بردارهای جبران، مشتق شده از نقشه خطا، در کنترل‌کننده CNC اعمال می‌شوند. اعتبارسنجی تجربی روی شفت‌هایی با قطر اسمی 20 میلی‌متر و 50 میلی‌متر، کاهش خطای مخروطی از مقادیر اولیه بیش از 15 میکرومتر/100 میلی‌متر به کمتر از 2 میکرومتر/100 میلی‌متر پس از کالیبراسیون را نشان داد. نتایج تأیید می‌کند که جبران خطای هندسی هدفمند، به ویژه پرداختن به خطاهای موقعیت‌یابی خطی و انحرافات زاویه‌ای مسیرهای راهنما، مکانیسم اصلی حذف مخروطی شدن است. این پروتکل یک رویکرد عملی و مبتنی بر داده برای دستیابی به دقت در سطح میکرون در تولید شفت دقیق ارائه می‌دهد که نیاز به تجهیزات استاندارد مترولوژی دارد. کارهای آینده باید پایداری بلندمدت جبران و ادغام با نظارت در حین فرآیند را بررسی کنند.
۱ مقدمه
انحراف مخروطی، که به عنوان تغییر قطری ناخواسته در امتداد محور چرخش در اجزای استوانه‌ای تراشیده شده با CNC تعریف می‌شود، همچنان یک چالش مداوم در تولید دقیق است. چنین خطاهایی مستقیماً بر جنبه‌های عملکردی حیاتی مانند تناسب یاتاقان، یکپارچگی آب‌بندی و سینماتیک مونتاژ تأثیر می‌گذارند و به طور بالقوه منجر به خرابی زودرس یا تخریب عملکرد می‌شوند (اسمیت و جونز، 2023). در حالی که عواملی مانند سایش ابزار، رانش حرارتی و انحراف قطعه کار در خطاهای فرم نقش دارند، عدم دقت‌های هندسی جبران نشده در خود تراش CNC - به ویژه انحراف در موقعیت خطی و تراز زاویه‌ای محورها - به عنوان علل اصلی و ریشه‌ای مخروطی شدن سیستماتیک شناخته می‌شوند (چن و همکاران، 2021؛ مولر و براون، 2024). روش‌های سنتی جبران خطا اغلب زمان‌بر هستند و فاقد داده‌های جامع مورد نیاز برای تصحیح قوی خطا در کل حجم کاری هستند. این مطالعه یک روش کالیبراسیون دقیق ساختار یافته با استفاده از تداخل‌سنجی لیزری را برای تعیین کمیت و جبران خطاهای هندسی که مستقیماً مسئول تشکیل مخروطی در شفت‌های تراشیده شده با CNC هستند، ارائه و اعتبارسنجی می‌کند.
۲ روش تحقیق
۲.۱ طراحی پروتکل کالیبراسیون
طراحی هسته شامل یک رویکرد نگاشت خطای حجمی متوالی و جبران‌سازی است. فرضیه اصلی این است که خطاهای هندسی دقیق اندازه‌گیری شده و جبران‌شده محورهای خطی تراش CNC (X و Z) مستقیماً با حذف مخروطی شدن قابل اندازه‌گیری در شفت‌های تولید شده مرتبط خواهند بود.
۲.۲ جمع‌آوری داده‌ها و راه‌اندازی آزمایش
-
ابزار ماشینی: یک مرکز تراش CNC سه محوره (ساخت: Okuma GENOS L3000e، کنترل‌کننده: OSP-P300) به عنوان پلتفرم آزمایش استفاده شد.
-
ابزار اندازه‌گیری: تداخل‌سنج لیزری (هد لیزر Renishaw XL-80 با اپتیک خطی XD و کالیبراتور محور چرخشی RX10) داده‌های اندازه‌گیری قابل ردیابی را مطابق با استانداردهای NIST ارائه داد. دقت موقعیت خطی، راستایی (در دو صفحه)، خطاهای گام و انحراف برای هر دو محور X و Z در فواصل ۱۰۰ میلی‌متری در طول کل مسیر (X: 300 میلی‌متر، Z: 600 میلی‌متر) طبق رویه‌های ISO 230-2:2014 اندازه‌گیری شدند.
-
قطعه کار و ماشینکاری: شفت‌های آزمایشی (جنس: فولاد AISI 1045، ابعاد: Ø20x150 میلی‌متر، Ø50x300 میلی‌متر) تحت شرایط ثابت (سرعت برش: 200 متر بر دقیقه، پیشروی: 0.15 میلی‌متر بر دور، عمق برش: 0.5 میلی‌متر، ابزار: اینسرت کاربیدی با پوشش CVD مدل DNMG 150608) قبل و بعد از کالیبراسیون ماشینکاری شدند. از مایع خنک‌کننده استفاده شد.
-
اندازه‌گیری مخروطی: قطر شفت پس از ماشینکاری در فواصل 10 میلی‌متری در امتداد طول با استفاده از یک دستگاه اندازه‌گیری مختصات با دقت بالا (CMM، Zeiss CONTURA G2، حداکثر خطای مجاز: (1.8 + L/350) میکرومتر) اندازه‌گیری شد. خطای مخروطی به عنوان شیب رگرسیون خطی قطر در مقابل موقعیت محاسبه شد.
۲.۳ پیاده‌سازی جبران خطا
داده‌های خطای حجمی حاصل از اندازه‌گیری لیزری با استفاده از نرم‌افزار COMP شرکت Renishaw پردازش شدند تا جداول جبران‌سازی مختص محور ایجاد شوند. این جداول، که حاوی مقادیر تصحیح وابسته به موقعیت برای جابجایی خطی، خطاهای زاویه‌ای و انحرافات راستی هستند، مستقیماً در پارامترهای جبران‌سازی خطای هندسی ابزار ماشین در کنترلر CNC (OSP-P300) بارگذاری شدند. شکل 1 اجزای اصلی خطای هندسی اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد.
۳ نتایج و تحلیل
۳.۱ نگاشت خطای پیش از کالیبراسیون
اندازه‌گیری لیزری انحرافات هندسی قابل توجهی را نشان داد که به احتمال زیاد به کاهش تدریجی سرعت کمک می‌کند:
-
محور Z: خطای موقعیتی +۲۸ میکرومتر در Z=300 میلی‌متر، تجمع خطای گام -۱۲ ثانیه قوسی در طول ۶۰۰ میلی‌متر حرکت.
-
محور X: خطای انحراف +۸ ثانیه قوسی در حرکت ۳۰۰ میلی‌متری.
این انحرافات با خطاهای مخروطی مشاهده‌شده قبل از کالیبراسیون که روی شفت Ø50x300 میلی‌متر اندازه‌گیری شده‌اند و در جدول 1 نشان داده شده‌اند، همسو هستند. الگوی خطای غالب، افزایش مداوم قطر به سمت انتهای دم را نشان می‌دهد.
جدول 1: نتایج اندازه‌گیری خطای مخروطی
| ابعاد شفت | مخروطی پیش کالیبراسیون (µm/100mm) | کاهش پس از کالیبراسیون (µm/100mm) | کاهش (%) |
|---|---|---|---|
| قطر ۲۰ میلی‌متر × ۱۵۰ میلی‌متر | +۱۴.۳ | +۱.۱ | ۹۲.۳٪ |
| Ø50 میلی‌متر × 300 میلی‌متر | +۱۶.۸ | +۱.۷ | ۸۹.۹٪ |
| نکته: مخروطی شدن مثبت نشان دهنده افزایش قطر با دور شدن از سه نظام است. |
۳.۲ عملکرد پس از کالیبراسیون
پیاده‌سازی بردارهای جبران مشتق‌شده منجر به کاهش چشمگیر خطای مخروطی اندازه‌گیری‌شده برای هر دو شفت آزمایشی شد (جدول 1). شفت Ø50x300 میلی‌متری کاهشی از +16.8µm/100mm به +1.7µm/100mm نشان داد که نشان‌دهنده بهبود 89.9 درصدی است. به طور مشابه، شفت Ø20x150 میلی‌متری کاهشی از +14.3µm/100mm به +1.1µm/100mm (بهبود 92.3 درصدی) نشان داد. شکل 2 به صورت گرافیکی پروفیل‌های قطری شفت Ø50 میلی‌متری را قبل و بعد از کالیبراسیون مقایسه می‌کند و به وضوح حذف روند مخروطی سیستماتیک را نشان می‌دهد. این سطح از بهبود از نتایج معمول گزارش‌شده برای روش‌های جبران دستی فراتر می‌رود (به عنوان مثال، ژانگ و وانگ، 2022 کاهش حدود 70 درصدی را گزارش کردند) و اثربخشی جبران جامع خطای حجمی را برجسته می‌کند.
۴ بحث
۴.۱ تفسیر نتایج
کاهش قابل توجه خطای مخروطی، این فرضیه را مستقیماً تأیید می‌کند. مکانیسم اصلی، اصلاح خطای موقعیتی محور Z و انحراف گام است که باعث می‌شود مسیر ابزار از مسیر موازی ایده‌آل نسبت به محور اسپیندل هنگام حرکت کالسکه در امتداد Z منحرف شود. جبران‌سازی به طور مؤثر این واگرایی را خنثی می‌کند. خطای باقیمانده (<2μm/100mm) احتمالاً ناشی از منابعی است که کمتر تحت جبران هندسی قرار می‌گیرند، مانند اثرات حرارتی جزئی در حین ماشینکاری، انحراف ابزار تحت نیروهای برشی یا عدم قطعیت اندازه‌گیری.
۴.۲ محدودیت‌ها
این مطالعه بر جبران خطای هندسی تحت شرایط کنترل‌شده و نزدیک به تعادل حرارتی که معمولاً در یک چرخه گرم شدن تولید رخ می‌دهد، متمرکز بود. این مطالعه به صراحت خطاهای ناشی از گرما را که در طول دوره‌های تولید طولانی یا نوسانات قابل توجه دمای محیط رخ می‌دهند، مدل‌سازی یا جبران نکرد. علاوه بر این، اثربخشی پروتکل بر روی ماشین‌هایی که دارای سایش یا آسیب شدید به راهنماها/پیچ‌های ساچمه‌ای هستند، ارزیابی نشد. تأثیر نیروهای برشی بسیار بالا بر جبران خنثی‌سازی نیز فراتر از محدوده فعلی بود.
۴.۳ پیامدهای عملی
پروتکل ارائه شده، روشی قوی و تکرارپذیر را برای دستیابی به تراشکاری استوانه‌ای با دقت بالا، که برای کاربردهای هوافضا، تجهیزات پزشکی و قطعات خودرو با عملکرد بالا ضروری است، در اختیار تولیدکنندگان قرار می‌دهد. این پروتکل، نرخ ضایعات مرتبط با عدم انطباق‌های مخروطی را کاهش می‌دهد و اتکا به مهارت اپراتور برای جبران دستی را به حداقل می‌رساند. الزام تداخل‌سنجی لیزری یک سرمایه‌گذاری است، اما برای تأسیساتی که نیاز به تلرانس در سطح میکرون دارند، توجیه‌پذیر است.
۵ نتیجه‌گیری
این مطالعه ثابت می‌کند که کالیبراسیون دقیق سیستماتیک، با استفاده از تداخل‌سنجی لیزری برای نگاشت خطای هندسی حجمی و جبران‌سازی کنترلر CNC متعاقب آن، برای حذف خطاهای مخروطی در شفت‌های تراش‌خورده با CNC بسیار مؤثر است. نتایج تجربی، کاهش بیش از ۸۹ درصدی را نشان داد و به مخروطی باقیمانده زیر ۲ میکرومتر/۱۰۰ میلی‌متر دست یافت. مکانیسم اصلی، جبران دقیق خطاهای موقعیت‌یابی خطی و انحرافات زاویه‌ای (گام، انحراف) در محورهای ابزار ماشین است. نتایج کلیدی عبارتند از:
-
نگاشت جامع خطای هندسی برای شناسایی انحرافات خاص ایجادکننده مخروطی شدن بسیار مهم است.
-
جبران مستقیم این انحرافات در کنترلر CNC یک راه حل بسیار مؤثر ارائه می‌دهد.
-
این پروتکل با استفاده از ابزارهای استاندارد مترولوژی، پیشرفت‌های قابل توجهی در دقت ابعادی ارائه می‌دهد.
زمان ارسال: ۱۹ ژوئیه ۲۰۲۵
