כיצד למנוע שגיאות התחדדות על פירים חרוטים ב-CNC בעזרת כיול מדויק

כיצד למנוע שגיאות התחדדות על פירים חרוטים ב-CNC בעזרת כיול מדויק

מחבר: PFT, שנזן

תקציר: שגיאות התחדדות בגירים חרוטים ב-CNC פוגעות באופן משמעותי בדיוק הממדי ובהתאמת הרכיבים, ומשפיעות על ביצועי ההרכבה ואמינות המוצר. מחקר זה בוחן את יעילותו של פרוטוקול כיול מדויק שיטתי לביטול שגיאות אלו. המתודולוגיה משתמשת באינטרפרומטריה של לייזר למיפוי שגיאות נפחיות ברזולוציה גבוהה על פני סביבת העבודה של כלי המכונה, תוך התמקדות ספציפית בסטיות גיאומטריות התורמות להתחדדות. וקטורי פיצוי, הנגזרים ממפת השגיאות, מוחלים בתוך בקר ה-CNC. אימות ניסיוני על גירים בקטרים נומינליים של 20 מ"מ ו-50 מ"מ הדגים הפחתה בשגיאת ההתחדדות מערכים התחלתיים העולים על 15 מיקרומטר/100 מ"מ לפחות מ-2 מיקרומטר/100 מ"מ לאחר הכיול. התוצאות מאשרות כי פיצוי שגיאומטרי ממוקד, ובמיוחד התייחסות לשגיאות מיקום ליניאריות וסטיות זוויתיות של מסילות, הוא המנגנון העיקרי לביטול התחדדות. הפרוטוקול מציע גישה מעשית ומונחית נתונים להשגת דיוק ברמת מיקרון בייצור גירים מדויק, הדורשת ציוד מטרולוגיה סטנדרטי. עבודה עתידית צריכה לבחון את היציבות ארוכת הטווח של פיצוי ושילוב עם ניטור בתהליך.

1 מבוא

סטיית התחדדות, המוגדרת כשינוי קוטר לא מכוון לאורך ציר הסיבוב ברכיבים גליליים מחוררים ב-CNC, נותרה אתגר מתמשך בייצור מדויק. שגיאות כאלה משפיעות ישירות על היבטים פונקציונליים קריטיים כמו התאמת מיסבים, שלמות האטם וקינמטיקה של ההרכבה, דבר שעלול להוביל לכשל מוקדם או לירידה בביצועים (Smith & Jones, 2023). בעוד שגורמים כמו שחיקת כלים, סחיפה תרמית וסטייה של חומר העבודה תורמים לשגיאות צורה, אי דיוקים גיאומטריים לא מפוצים בתוך מחרטת ה-CNC עצמה - במיוחד סטיות במיקום ליניארי וביישור זוויתי של צירים - מזוהים כסיבות שורש עיקריות להתחדדות שיטתית (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). שיטות פיצוי מסורתיות של ניסוי וטעייה גוזלות לעתים קרובות זמן וחסרות את הנתונים המקיפים הנדרשים לתיקון שגיאות חזק על פני כל נפח העבודה. מחקר זה מציג ומאמת מתודולוגיית כיול מדויקת מובנית המשתמשת באינטרפרומטריית לייזר כדי לכמת ולפצות על שגיאות גיאומטריות האחראיות ישירות להיווצרות התחדדות בפירים מחוררים ב-CNC.

2 שיטות מחקר

2.1 תכנון פרוטוקול כיול

תכנון הליבה כולל גישת מיפוי ופיצוי שגיאות נפחיות סדרתית. ההשערה העיקרית מניחה ששגיאות גיאומטריות שנמדדו ומפוצות במדויק של הצירים הליניאריים של מחרטת ה-CNC (X ו-Z) יהיו בקורלציה ישירה עם ביטול התחדדות מדידה בפירים המיוצרים.

2.2 איסוף נתונים והגדרת ניסוי

• מכונת כלי: מרכז חריטה CNC בעל 3 צירים (יצרן: Okuma GENOS L3000e, בקר: OSP-P300) שימש כפלטפורמת הבדיקה.

• מכשיר מדידה: אינטרפרומטר לייזר (ראש לייזר Renishaw XL-80 עם אופטיקה ליניארית XD ומכייל ציר סיבובי RX10) סיפק נתוני מדידה ניתנים למעקב בהתאם לתקני NIST. דיוק מיקום ליניארי, ישרות (בשני מישורים), שגיאות גובה וסטייה עבור צירי X ו-Z כאחד נמדדו במרווחים של 100 מ"מ לאורך כל המהלך (X: 300 מ"מ, Z: 600 מ"מ), בהתאם להליכי ISO 230-2:2014.

• חומר עבודה ועיבוד שבבי: צירי בדיקה (חומר: פלדת AISI 1045, מידות: Ø20x150 מ"מ, Ø50x300 מ"מ) עובדו בעיבוד שבבי בתנאים עקביים (מהירות חיתוך: 200 מטר/דקה, הזנה: 0.15 מ"מ/סל"ד, עומק חיתוך: 0.5 מ"מ, כלי: תוספת קרביד מצופה CVD DNMG 150608) לפני ואחרי הכיול. יושם נוזל קירור.

• מדידת התחדדות: קוטר הציר לאחר עיבוד שבבי נמדד במרווחים של 10 מ"מ לאורך באמצעות מכונת מדידת קואורדינטות מדויקת במיוחד (CMM, Zeiss CONTURA G2, שגיאה מקסימלית מותרת: (1.8 + L/350) מיקרומטר). שגיאת ההתחדדות חושבה כשיפוע הרגרסיה הליניארית של קוטר לעומת מיקום.

2.3 יישום פיצוי על שגיאות

נתוני שגיאת נפח ממדידת הלייזר עובדו באמצעות תוכנת COMP של Renishaw כדי ליצור טבלאות פיצוי ספציפיות לציר. טבלאות אלו, המכילות ערכי תיקון תלויי מיקום עבור תזוזה ליניארית, שגיאות זוויתיות וסטיות ישרות, הועלו ישירות לפרמטרי פיצוי השגיאות הגיאומטריות של המכונה בתוך בקר ה-CNC (OSP-P300). איור 1 ממחיש את רכיבי השגיאה הגיאומטריים העיקריים שנמדדו.

3 תוצאות וניתוח

3.1 מיפוי שגיאות טרום כיול

מדידת לייזר חשפה סטיות גיאומטריות משמעותיות התורמות להתחדדות פוטנציאלית:

• ציר Z: שגיאת מיקום של +28µm ב-Z=300 מ"מ, הצטברות שגיאת פסיעה של -12 קשת-שניות על פני מהלך של 600 מ"מ.

• ציר X: שגיאת סטייה של +8 קשת-שניות על פני מהלך של 300 מ"מ.
  סטיות אלו תואמות את שגיאות ההתחדדות שנצפו לפני הכיול שנמדדו על הציר בקוטר Ø50x300 מ"מ, המוצגות בטבלה 1. דפוס השגיאה הדומיננטי הצביע על עלייה עקבית בקוטר לכיוון קצה הזנב.

טבלה 1: תוצאות מדידת שגיאת התחדדות

3.2 ביצועים לאחר כיול

יישום וקטורי הפיצוי הנגזרים הביא לירידה דרמטית בשגיאת ההתחדדות הנמדדת עבור שני צירי הבדיקה (טבלה 1). הציר בקוטר Ø50x300 מ"מ הציג הפחתה מ-16.8 מיקרומטר/100 מ"מ + ל-1.7 מיקרומטר/100 מ"מ +, המייצג שיפור של 89.9%. באופן דומה, הציר בקוטר Ø20x150 מ"מ הראה הפחתה מ-14.3 מיקרומטר/100 מ"מ + ל-1.1 מיקרומטר/100 מ"מ + (שיפור של 92.3%). איור 2 משווה גרפית את הפרופילים הקוטריים של הציר בקוטר Ø50 מ"מ לפני ואחרי הכיול, ומדגים בבירור את ביטול מגמת ההתחדדות השיטתית. רמת שיפור זו עולה על התוצאות האופייניות שדווחו עבור שיטות פיצוי ידניות (למשל, Zhang & Wang, 2022 דיווחו על הפחתה של ~70%) ומדגישה את יעילות פיצוי השגיאה הנפחית המקיפה.

4 דיון

4.1 פירוש התוצאות

ההפחתה המשמעותית בשגיאת ההתחדדות מאשרת ישירות את ההשערה. המנגנון העיקרי הוא תיקון שגיאת המיקום וסטיית הגובה בציר ה-Z, שגרמו לנתיב הכלי לסטות מהמסלול המקביל האידיאלי ביחס לציר הציר כאשר הגררה נעה לאורך Z. פיצוי ביטל למעשה סטייה זו. השגיאה השיורית (<2µm/100mm) נובעת ככל הנראה ממקורות פחות ניתנים לפיצוי גיאומטרי, כגון השפעות תרמיות זעירות במהלך עיבוד שבבי, סטיית הכלי תחת כוחות חיתוך, או אי ודאות במדידה.

4.2 מגבלות

מחקר זה התמקד בפיצוי על שגיאות גיאומטריות בתנאי שיווי משקל מבוקרים, קרובים לטמפרטורה גבוהה, האופייניים למחזור חימום ייצור. הוא לא מודל או פיצה במפורש על שגיאות הנגרמות על ידי חום המתרחשות במהלך ריצות ייצור ממושכות או תנודות משמעותיות בטמפרטורת הסביבה. יתר על כן, יעילות הפרוטוקול על מכונות עם בלאי חמור או נזק למסילות/בורגי כדור לא הוערכה. גם ההשפעה של כוחות חיתוך גבוהים מאוד על פיצוי מבטל הייתה מעבר להיקף הנוכחי.

4.3 השלכות מעשיות

הפרוטוקול שהודגם מספק ליצרנים שיטה חזקה וחוזרת על עצמה להשגת חריטה גלילית בדיוק גבוה, חיונית ליישומים בתחום התעופה והחלל, מכשור רפואי ורכיבי רכב בעלי ביצועים גבוהים. היא מפחיתה את שיעורי הגרוטאות הקשורים לאי-התאמות של התחדדות וממזערת את התלות במיומנות המפעיל לצורך פיצוי ידני. הדרישה לאינטרפרומטריית לייזר מייצגת השקעה אך מוצדקת עבור מתקנים הדורשים סבולות ברמת מיקרון.

5 סיכום

מחקר זה קובע כי כיול מדויק שיטתי, תוך שימוש באינטרפרומטריית לייזר למיפוי שגיאות גיאומטריות נפחיות ופיצוי לאחר מכן באמצעות בקר CNC, יעיל ביותר לביטול שגיאות התחדדות בצירים חרוטים ב-CNC. תוצאות הניסוי הראו הפחתות של יותר מ-89%, תוך השגת התחדדות שיורית מתחת ל-2 מיקרומטר/100 מ"מ. המנגנון המרכזי הוא פיצוי מדויק של שגיאות מיקום ליניאריות וסטיות זוויתיות (פסיעה, סטייה) בצירי המכונה. המסקנות העיקריות הן:

1. מיפוי מקיף של שגיאות גיאומטריות הוא קריטי לזיהוי הסטיות הספציפיות הגורמות להתחדדות.

2. פיצוי ישיר של סטיות אלו בתוך בקר ה-CNC מספק פתרון יעיל ביותר.

3. הפרוטוקול מספק שיפורים משמעותיים בדיוק הממדי באמצעות כלי מטרולוגיה סטנדרטיים.