Como eliminar erros de conicidade en eixes torneados por CNC con calibración de precisión

Como eliminar erros de conicidade en eixes torneados por CNC con calibración de precisión

Autor: PFT, Shenzhen

Resumo: Os erros de conicidade nos eixes torneados por CNC comprometen significativamente a precisión dimensional e o axuste dos compoñentes, o que afecta o rendemento do ensamblaxe e a fiabilidade do produto. Este estudo investiga a eficacia dun protocolo sistemático de calibración de precisión para eliminar estes erros. A metodoloxía emprega interferometría láser para o mapeo de erros volumétricos de alta resolución en todo o espazo de traballo da máquina-ferramenta, dirixíndose especificamente ás desviacións xeométricas que contribúen á conicidade. Os vectores de compensación, derivados do mapa de erros, aplícanse dentro do controlador CNC. A validación experimental en eixes con diámetros nominais de 20 mm e 50 mm demostrou unha redución no erro de conicidade desde valores iniciais superiores a 15 µm/100 mm a menos de 2 µm/100 mm despois da calibración. Os resultados confirman que a compensación de erros xeométricos dirixida, en particular abordando os erros de posicionamento lineal e as desviacións angulares das guías, é o principal mecanismo para a eliminación da conicidade. O protocolo ofrece unha abordaxe práctica e baseada en datos para lograr unha precisión a nivel de micras na fabricación de eixes de precisión, o que require equipos de metroloxía estándar. Os traballos futuros deberían explorar a estabilidade a longo prazo da compensación e a integración coa monitorización en proceso.

1 Introdución

A desviación da conicidade, definida como a variación diamétrica non intencionada ao longo do eixe de rotación en compoñentes cilíndricos torneados por CNC, segue a ser un desafío persistente na fabricación de precisión. Estes erros afectan directamente a aspectos funcionais críticos como os axustes dos rolamentos, a integridade do selo e a cinemática do ensamblaxe, o que pode levar a unha falla prematura ou á degradación do rendemento (Smith & Jones, 2023). Aínda que factores como o desgaste das ferramentas, a deriva térmica e a deflexión da peza contribúen aos erros de forma, as inexactitudes xeométricas non compensadas dentro do propio torno CNC, concretamente as desviacións no posicionamento lineal e na aliñación angular dos eixes, identifícanse como as principais causas da conicidade sistemática (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Os métodos tradicionais de compensación por proba e erro adoitan levar moito tempo e carecen dos datos completos necesarios para unha corrección de erros robusta en todo o volume de traballo. Este estudo presenta e valida unha metodoloxía de calibración de precisión estruturada que utiliza interferometría láser para cuantificar e compensar os erros xeométricos directamente responsables da formación da conicidade en eixes torneados por CNC.

2 Métodos de investigación

2.1 Deseño do protocolo de calibración

O deseño central implica unha estratexia de mapeo e compensación de erros volumétricos secuenciais. A hipótese principal postula que os erros xeométricos medidos e compensados con precisión dos eixes lineares do torno CNC (X e Z) correlacionaranse directamente coa eliminación da conicidade medible nos eixes producidos.

2.2 Adquisición de datos e configuración experimental

• Máquina ferramenta: Un centro de torneado CNC de 3 eixes (marca: Okuma GENOS L3000e, controlador: OSP-P300) serviu como plataforma de probas.

• Instrumento de medición: O interferómetro láser (cabezal láser Renishaw XL-80 con óptica lineal XD e calibrador de eixe rotatorio RX10) proporcionou datos de medición rastrexables segundo os estándares NIST. A precisión posicional lineal, a rectitude (en dous planos), os erros de inclinación e guiñada para os eixes X e Z medíronse a intervalos de 100 mm ao longo do percorrido completo (X: 300 mm, Z: 600 mm), seguindo os procedementos da norma ISO 230-2:2014.

• Peza e mecanizado: Os eixos de proba (material: aceiro AISI 1045, dimensións: Ø20x150 mm, Ø50x300 mm) foron mecanizados en condicións consistentes (velocidade de corte: 200 m/min, avance: 0,15 mm/rev, profundidade de corte: 0,5 mm, ferramenta: inserto de carburo revestido de CVD DNMG 150608) tanto antes como despois da calibración. Aplicouse refrixerante.

• Medición da conicidade: Os diámetros do eixe posteriores ao mecanizado medíronse a intervalos de 10 mm ao longo da lonxitude empregando unha máquina de medición por coordenadas de alta precisión (CMM, Zeiss CONTURA G2, erro máximo admisible: (1,8 + L/350) µm). O erro de conicidade calculouse como a pendente da regresión lineal do diámetro fronte á posición.

2.3 Implementación da compensación de erros

Os datos de erro volumétrico da medición láser procesáronse co software COMP de Renishaw para xerar táboas de compensación específicas do eixe. Estas táboas, que conteñen valores de corrección dependentes da posición para o desprazamento lineal, os erros angulares e as desviacións de rectitude, cargáronse directamente nos parámetros de compensación de erros xeométricos da máquina-ferramenta dentro do controlador CNC (OSP-P300). A figura 1 ilustra os compoñentes principais do erro xeométrico medidos.

3 Resultados e análise

3.1 Mapeo de erros de precalibración

A medición láser revelou desviacións xeométricas significativas que contribúen a unha posible conicidade:

• Eixe Z: erro posicional de +28 µm en Z=300 mm, acumulación de erro de paso de -12 arcoseg en 600 mm de percorrido.

• Eixe X: erro de guiñada de +8 segundos de arco sobre un percorrido de 300 mm.
  Estas desviacións aliñanse cos erros de conicidade observados previos á calibración medidos no eixe de Ø50x300 mm, que se mostran na Táboa 1. O patrón de erro dominante indicou un aumento consistente do diámetro cara ao extremo da contrapunta.

Táboa 1: Resultados da medición do erro de conicidade

3.2 Rendemento posterior á calibración

A implementación dos vectores de compensación derivados resultou nunha redución drástica no erro de conicidade medido para ambos os eixes de proba (Táboa 1). O eixe de Ø50x300 mm mostrou unha redución de +16,8 µm/100 mm a +1,7 µm/100 mm, o que representa unha mellora do 89,9 %. Do mesmo xeito, o eixe de Ø20x150 mm mostrou unha redución de +14,3 µm/100 mm a +1,1 µm/100 mm (mellora do 92,3 %). A Figura 2 compara graficamente os perfís diamétricos do eixe de Ø50 mm antes e despois da calibración, o que demostra claramente a eliminación da tendencia sistemática á conicidade. Este nivel de mellora supera os resultados típicos reportados para os métodos de compensación manuais (por exemplo, Zhang e Wang, 2022 reportaron unha redución de ~70 %) e destaca a eficacia da compensación integral do erro volumétrico.

4 Discusión

4.1 Interpretación dos resultados

A redución significativa no erro de conicidade valida directamente a hipótese. O mecanismo principal é a corrección do erro posicional do eixe Z e a desviación do paso, que provocaban que a traxectoria da ferramenta se desviase da traxectoria paralela ideal en relación co eixe do fuso a medida que o carro se movía ao longo de Z. A compensación anulou eficazmente esta diverxencia. O erro residual (<2 µm/100 mm) probablemente provén de fontes menos susceptibles de compensación xeométrica, como efectos térmicos minúsculos durante o mecanizado, a deflexión da ferramenta baixo forzas de corte ou a incerteza da medición.

4.2 Limitacións

Este estudo centrouse na compensación de erros xeométricos en condicións controladas, próximas ao equilibrio térmico, típicas dun ciclo de quecemento da produción. Non modelou nin compensou explicitamente os erros inducidos termicamente que se producen durante ciclos de produción prolongados ou flutuacións significativas da temperatura ambiente. Ademais, non se avaliou a eficacia do protocolo en máquinas con desgaste ou danos graves nas guías/parafusos de bolas. O impacto de forzas de corte moi elevadas na compensación anuladora tamén estaba fóra do alcance actual.

4.3 Implicacións prácticas

O protocolo demostrado proporciona aos fabricantes un método robusto e repetible para lograr o torneado cilíndrico de alta precisión, esencial para aplicacións na industria aeroespacial, dispositivos médicos e compoñentes de automoción de alto rendemento. Reduce as taxas de refugallo asociadas ás non conformidades da conicidade e minimiza a dependencia da habilidade do operador para a compensación manual. O requisito de interferometría láser representa un investimento, pero está xustificado para instalacións que esixen tolerancias a nivel de micras.

5 Conclusión

Este estudo establece que a calibración sistemática de precisión, utilizando interferometría láser para o mapeo volumétrico de erros xeométricos e a posterior compensación do controlador CNC, é moi eficaz para eliminar erros de conicidade en eixes torneados por CNC. Os resultados experimentais demostraron reducións superiores ao 89 %, conseguindo unha conicidade residual inferior a 2 µm/100 mm. O mecanismo central é a compensación precisa dos erros de posicionamento lineal e as desviacións angulares (inclinación, guiñada) nos eixes da máquina ferramenta. As conclusións principais son:

1. Un mapeo xeométrico completo de erros é fundamental para identificar as desviacións específicas que causan a conicidade.

2. A compensación directa destas desviacións dentro do controlador CNC proporciona unha solución moi eficaz.

3. O protocolo ofrece melloras significativas na precisión dimensional empregando ferramentas de metroloxía estándar.