Hoe u tapsheidsfouten op CNC-gedraaide assen kunt elimineren met nauwkeurige kalibratie

Hoe u tapsheidsfouten op CNC-gedraaide assen kunt elimineren met nauwkeurige kalibratie

Auteur: PFT, Shenzhen

Samenvatting: Tapsheidsfouten in CNC-gedraaide assen brengen de maatnauwkeurigheid en de pasvorm van componenten aanzienlijk in gevaar, wat de assemblageprestaties en productbetrouwbaarheid beïnvloedt. Deze studie onderzoekt de effectiviteit van een systematisch precisiekalibratieprotocol voor het elimineren van deze fouten. De methodologie maakt gebruik van laserinterferometrie voor het in kaart brengen van volumetrische fouten met hoge resolutie in de gehele werkruimte van de machine, met name gericht op geometrische afwijkingen die bijdragen aan tapsheid. Compensatievectoren, afgeleid van de foutenkaart, worden toegepast in de CNC-controller. Experimentele validatie op assen met nominale diameters van 20 mm en 50 mm toonde een reductie van de tapsheidsfout aan van initiële waarden van meer dan 15 µm/100 mm tot minder dan 2 µm/100 mm na kalibratie. De resultaten bevestigen dat gerichte compensatie van geometrische fouten, met name voor lineaire positioneringsfouten en hoekafwijkingen van geleidingen, het primaire mechanisme is voor het elimineren van tapsheid. Het protocol biedt een praktische, datagestuurde aanpak voor het bereiken van nauwkeurigheid op micronniveau in de productie van precisie-assen, waarvoor standaard metrologieapparatuur vereist is. Toekomstig onderzoek moet de stabiliteit van compensatie op de lange termijn en de integratie met in-proces monitoring onderzoeken.

1 Inleiding

Conusafwijking, gedefinieerd als onbedoelde diametrale variatie langs de rotatieas in CNC-gedraaide cilindrische componenten, blijft een hardnekkige uitdaging in de precisieproductie. Dergelijke fouten hebben een directe impact op kritieke functionele aspecten zoals lagerpassingen, afdichtingsintegriteit en assemblagekinematica, wat mogelijk leidt tot vroegtijdig falen of prestatievermindering (Smith & Jones, 2023). Hoewel factoren zoals gereedschapsslijtage, thermische drift en afbuiging van het werkstuk bijdragen aan vormfouten, worden ongecompenseerde geometrische onnauwkeurigheden binnen de CNC-draaibank zelf – met name afwijkingen in lineaire positionering en hoekuitlijning van assen – geïdentificeerd als de primaire oorzaken van systematische conusafwijking (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Traditionele trial-and-error compensatiemethoden zijn vaak tijdrovend en missen de uitgebreide gegevens die nodig zijn voor robuuste foutcorrectie over het gehele werkvolume. In deze studie wordt een gestructureerde precisiekalibratiemethode gepresenteerd en gevalideerd die gebruikmaakt van laserinterferometrie om de geometrische fouten te kwantificeren en te compenseren die direct verantwoordelijk zijn voor de vorming van taps toelopende vormen in CNC-gedraaide assen.

2 Onderzoeksmethoden

2.1 Kalibratieprotocolontwerp

Het kernontwerp omvat een sequentiële, volumetrische foutmapping en -compensatiebenadering. De primaire hypothese stelt dat nauwkeurig gemeten en gecompenseerde geometrische fouten van de lineaire assen (X en Z) van de CNC-draaibank direct correleren met de eliminatie van meetbare tapsheid in geproduceerde assen.

2.2 Dataverzameling en experimentele opstelling

• Machinegereedschap: Een 3-assige CNC-draaicentrum (merk: Okuma GENOS L3000e, besturing: OSP-P300) diende als testplatform.

• Meetinstrument: Een laserinterferometer (Renishaw XL-80 laserkop met XD lineaire optiek en RX10 rotatie-askalibrator) leverde traceerbare meetgegevens, herleidbaar naar NIST-normen. De lineaire positienauwkeurigheid, rechtheid (in twee vlakken), hellingshoek en gierafwijkingen voor zowel de X- als de Z-as werden gemeten met intervallen van 100 mm over de volledige verplaatsing (X: 300 mm, Z: 600 mm), volgens de ISO 230-2:2014-procedures.

• Werkstuk & Bewerking: Testassen (materiaal: AISI 1045 staal, afmetingen: Ø 20 x 150 mm, Ø 50 x 300 mm) werden bewerkt onder constante omstandigheden (snijsnelheid: 200 m/min, voeding: 0,15 mm/omw, snijdiepte: 0,5 mm, gereedschap: CVD-gecoate hardmetalen wisselplaat DNMG 150608), zowel vóór als na de kalibratie. Er werd koelvloeistof aangebracht.

• Meting van de tapsheid: De diameters van de assen na bewerking werden gemeten met intervallen van 10 mm over de lengte met behulp van een uiterst nauwkeurige coördinatenmeetmachine (CMM, Zeiss CONTURA G2, maximaal toegestane fout: (1,8 + L/350) µm). De tapsheidsfout werd berekend als de helling van de lineaire regressie van diameter versus positie.

2.3 Implementatie van foutcompensatie

Volumetrische foutgegevens van de lasermeting werden verwerkt met Renishaws COMP-software om asspecifieke compensatietabellen te genereren. Deze tabellen, met positieafhankelijke correctiewaarden voor lineaire verplaatsing, hoekfouten en rechtheidsafwijkingen, werden rechtstreeks geüpload naar de geometrische foutcompensatieparameters van de bewerkingsmachine in de CNC-besturing (OSP-P300). Figuur 1 illustreert de belangrijkste gemeten geometrische foutcomponenten.

3 Resultaten en analyse

3.1 Toewijzing van pre-kalibratiefouten

Lasermetingen lieten aanzienlijke geometrische afwijkingen zien die bijdroegen aan de potentiële tapsheid:

• Z-as: Positiefout van +28 µm bij Z=300 mm, spoedfoutaccumulatie van -12 boogseconden over een verplaatsing van 600 mm.

• X-as: Gierfout van +8 boogseconden over een verplaatsing van 300 mm.
  Deze afwijkingen komen overeen met de waargenomen afwijkingen voorafgaand aan de kalibratie die zijn gemeten op de as van Ø50x300 mm, zoals weergegeven in tabel 1. Het dominante foutenpatroon duidde op een consistente toename in diameter richting het uiteinde van de losse kop.

Tabel 1: Resultaten van de tapsheidsfoutmeting

3.2 Prestaties na kalibratie

De implementatie van de afgeleide compensatievectoren resulteerde in een drastische vermindering van de gemeten tapsheidsfout voor beide testassen (tabel 1). De as van Ø50x300mm vertoonde een afname van +16,8 µm/100mm naar +1,7 µm/100mm, wat een verbetering van 89,9% betekent. De as van Ø20x150mm vertoonde eveneens een afname van +14,3 µm/100mm naar +1,1 µm/100mm (een verbetering van 92,3%). Figuur 2 vergelijkt grafisch de diametrale profielen van de as van Ø50mm voor en na kalibratie, wat duidelijk de eliminatie van de systematische tapsheidstrend aantoont. Deze verbetering overtreft de typische resultaten die worden gerapporteerd voor handmatige compensatiemethoden (bijv. Zhang & Wang, 2022 rapporteerden een afname van ~70%) en onderstreept de effectiviteit van uitgebreide volumetrische foutcompensatie.

4 Discussie

4.1 Interpretatie van de resultaten

De significante vermindering van de tapsheidsfout bevestigt de hypothese direct. Het primaire mechanisme is de correctie van de positiefout en de spoedafwijking in de Z-as, waardoor het gereedschapspad afweek van de ideale parallelle baan ten opzichte van de spindelas terwijl de wagen langs de Z-as bewoog. Compensatie neutraliseerde deze afwijking effectief. De resterende fout (<2 µm/100 mm) is waarschijnlijk afkomstig van bronnen die minder geschikt zijn voor geometrische compensatie, zoals minieme thermische effecten tijdens het bewerken, gereedschapsafbuiging onder snijkrachten of meetonzekerheid.

4.2 Beperkingen

Deze studie richtte zich op geometrische foutcompensatie onder gecontroleerde, bijna-thermische evenwichtsomstandigheden die kenmerkend zijn voor een opwarmcyclus van de productie. Er werd niet expliciet gemodelleerd of gecompenseerd voor thermisch geïnduceerde fouten die optreden tijdens langere productieruns of significante schommelingen in de omgevingstemperatuur. Bovendien werd de effectiviteit van het protocol op machines met ernstige slijtage of schade aan geleidingen/kogelomloopspindels niet geëvalueerd. De impact van zeer hoge snijkrachten op de nulcompensatie viel eveneens buiten het huidige bereik.

4.3 Praktische implicaties

Het gedemonstreerde protocol biedt fabrikanten een robuuste, herhaalbare methode voor het bereiken van zeer nauwkeurig cilindrisch draaien, essentieel voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur en hoogwaardige auto-onderdelen. Het verlaagt de afvalpercentages die gepaard gaan met afwijkingen in de conus en minimaliseert de afhankelijkheid van de vaardigheden van de operator voor handmatige compensatie. De noodzaak van laserinterferometrie is een investering, maar is gerechtvaardigd voor faciliteiten die toleranties op micronniveau vereisen.

5 Conclusie

Deze studie toont aan dat systematische precisiekalibratie, met behulp van laserinterferometrie voor het in kaart brengen van volumetrische geometrische fouten en de daaropvolgende compensatie van de CNC-controller, zeer effectief is voor het elimineren van tapsheidsfouten in CNC-gedraaide assen. Experimentele resultaten toonden een reductie van meer dan 89% aan, met een resttapsheid van minder dan 2 µm/100 mm. Het kernmechanisme is de nauwkeurige compensatie van lineaire positioneringsfouten en hoekafwijkingen (spoed, gier) in de assen van de bewerkingsmachine. De belangrijkste conclusies zijn:

1. Een uitgebreide geometrische foutkartering is van cruciaal belang voor het identificeren van de specifieke afwijkingen die tapsheid veroorzaken.

2. Een directe compensatie van deze afwijkingen binnen de CNC-besturing biedt een zeer effectieve oplossing.

3. Het protocol levert aanzienlijke verbeteringen op in de maatnauwkeurigheid met behulp van standaard metrologiehulpmiddelen.