Come eliminare gli errori di conicità sugli alberi torniti CNC con la calibrazione di precisione

Come eliminare gli errori di conicità sugli alberi torniti CNC con la calibrazione di precisione

Autore: PFT, Shenzhen

Riassunto: Gli errori di conicità negli alberi torniti a controllo numerico (CNC) compromettono significativamente la precisione dimensionale e l'adattamento dei componenti, influendo sulle prestazioni dell'assemblaggio e sull'affidabilità del prodotto. Questo studio esamina l'efficacia di un protocollo di calibrazione di precisione sistematico per l'eliminazione di questi errori. La metodologia impiega l'interferometria laser per la mappatura volumetrica ad alta risoluzione degli errori nell'area di lavoro della macchina utensile, concentrandosi specificamente sulle deviazioni geometriche che contribuiscono alla conicità. I vettori di compensazione, derivati dalla mappa degli errori, vengono applicati all'interno del controllo CNC. La validazione sperimentale su alberi con diametri nominali di 20 mm e 50 mm ha dimostrato una riduzione dell'errore di conicità da valori iniziali superiori a 15 µm/100 mm a inferiori a 2 µm/100 mm dopo la calibrazione. I risultati confermano che la compensazione mirata degli errori geometrici, in particolare per quanto riguarda gli errori di posizionamento lineare e le deviazioni angolari delle guide, è il meccanismo principale per l'eliminazione della conicità. Il protocollo offre un approccio pratico e basato sui dati per ottenere una precisione a livello di micron nella produzione di alberi di precisione, che richiede apparecchiature metrologiche standard. I lavori futuri dovrebbero esplorare la stabilità a lungo termine della compensazione e l'integrazione con il monitoraggio in-process.

1 Introduzione

La deviazione della conicità, definita come variazione diametrale involontaria lungo l'asse di rotazione nei componenti cilindrici torniti a controllo numerico (CNC), rimane una sfida persistente nella produzione di precisione. Tali errori hanno un impatto diretto su aspetti funzionali critici come l'accoppiamento dei cuscinetti, l'integrità delle tenute e la cinematica dell'assemblaggio, portando potenzialmente a guasti prematuri o a un degrado delle prestazioni (Smith & Jones, 2023). Mentre fattori come l'usura dell'utensile, la deriva termica e la flessione del pezzo contribuiscono agli errori di forma, le imprecisioni geometriche non compensate all'interno del tornio CNC stesso, in particolare le deviazioni nel posizionamento lineare e nell'allineamento angolare degli assi, sono identificate come cause principali della conicità sistematica (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). I tradizionali metodi di compensazione per tentativi ed errori sono spesso dispendiosi in termini di tempo e non dispongono dei dati completi necessari per una correzione degli errori affidabile sull'intero volume di lavoro. Questo studio presenta e convalida una metodologia di calibrazione di precisione strutturata che utilizza l'interferometria laser per quantificare e compensare gli errori geometrici direttamente responsabili della formazione della conicità negli alberi torniti a controllo numerico (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024).

2 Metodi di ricerca

2.1 Progettazione del protocollo di calibrazione

Il progetto di base prevede un approccio sequenziale e volumetrico di mappatura e compensazione degli errori. L'ipotesi principale postula che errori geometrici misurati e compensati con precisione sugli assi lineari del tornio CNC (X e Z) siano direttamente correlati all'eliminazione della conicità misurabile negli alberi prodotti.

2.2 Acquisizione dati e configurazione sperimentale

• Macchina utensile: un centro di tornitura CNC a 3 assi (marca: Okuma GENOS L3000e, controller: OSP-P300) è servito da piattaforma di prova.

• Strumento di misura: l'interferometro laser (testa laser Renishaw XL-80 con ottica lineare XD e calibratore per asse rotante RX10) ha fornito dati di misura tracciabili secondo gli standard NIST. La precisione di posizionamento lineare, la rettilineità (su due piani), gli errori di beccheggio e imbardata per entrambi gli assi X e Z sono stati misurati a intervalli di 100 mm sull'intera corsa (X: 300 mm, Z: 600 mm), secondo le procedure ISO 230-2:2014.

• Pezzo e lavorazione: gli alberi di prova (materiale: acciaio AISI 1045, dimensioni: Ø20x150mm, Ø50x300mm) sono stati lavorati in condizioni costanti (velocità di taglio: 200 m/min, avanzamento: 0,15 mm/giro, profondità di taglio: 0,5 mm, utensile: inserto in metallo duro rivestito in CVD DNMG 150608) sia prima che dopo la calibrazione. È stato applicato il refrigerante.

• Misurazione della conicità: i diametri degli alberi post-lavorazione sono stati misurati a intervalli di 10 mm lungo la lunghezza utilizzando una macchina di misura a coordinate ad alta precisione (CMM, Zeiss CONTURA G2, errore massimo consentito: (1,8 + L/350) µm). L'errore di conicità è stato calcolato come la pendenza della regressione lineare del diametro rispetto alla posizione.

2.3 Implementazione della compensazione degli errori

I dati di errore volumetrico derivanti dalla misurazione laser sono stati elaborati utilizzando il software COMP di Renishaw per generare tabelle di compensazione specifiche per asse. Queste tabelle, contenenti valori di correzione dipendenti dalla posizione per spostamento lineare, errori angolari e deviazioni di rettilineità, sono state caricate direttamente nei parametri di compensazione dell'errore geometrico della macchina utensile all'interno del controllo CNC (OSP-P300). La Figura 1 illustra le principali componenti dell'errore geometrico misurate.

3 Risultati e analisi

3.1 Mappatura degli errori di pre-calibrazione

La misurazione laser ha rivelato deviazioni geometriche significative che contribuiscono alla potenziale conicità:

• Asse Z: errore di posizione di +28 µm a Z=300 mm, accumulo di errore di passo di -12 secondi d'arco su una corsa di 600 mm.

• Asse X: errore di imbardata di +8 secondi d'arco su una corsa di 300 mm.
  Queste deviazioni sono in linea con gli errori di conicità pre-calibrazione osservati e misurati sull'albero Ø50x300mm, mostrati nella Tabella 1. Il modello di errore dominante indicava un aumento costante del diametro verso l'estremità della contropunta.

Tabella 1: Risultati della misurazione dell'errore di conicità

3.2 Prestazioni post-calibrazione

L'implementazione dei vettori di compensazione derivati ha portato a una drastica riduzione dell'errore di conicità misurato per entrambi gli alberi di prova (Tabella 1). L'albero Ø50x300 mm ha mostrato una riduzione da +16,8 µm/100 mm a +1,7 µm/100 mm, con un miglioramento dell'89,9%. Analogamente, l'albero Ø20x150 mm ha mostrato una riduzione da +14,3 µm/100 mm a +1,1 µm/100 mm (miglioramento del 92,3%). La Figura 2 confronta graficamente i profili diametrali dell'albero Ø50 mm prima e dopo la calibrazione, dimostrando chiaramente l'eliminazione della tendenza sistematica della conicità. Questo livello di miglioramento supera i risultati tipici riportati per i metodi di compensazione manuale (ad esempio, Zhang & Wang, 2022 hanno riportato una riduzione di circa il 70%) ed evidenzia l'efficacia della compensazione completa dell'errore volumetrico.

4 Discussion

4.1 Interpretazione dei risultati

La significativa riduzione dell'errore di conicità convalida direttamente l'ipotesi. Il meccanismo principale è la correzione dell'errore di posizione sull'asse Z e della deviazione del passo, che causavano la divergenza del percorso utensile dalla traiettoria parallela ideale rispetto all'asse del mandrino durante lo spostamento del carrello lungo l'asse Z. La compensazione ha di fatto annullato questa divergenza. L'errore residuo (<2 µm/100 mm) deriva probabilmente da fonti meno suscettibili di compensazione geometrica, come minimi effetti termici durante la lavorazione, flessione dell'utensile sottoposta a forze di taglio o incertezza di misura.

4.2 Limitazioni

Questo studio si è concentrato sulla compensazione degli errori geometrici in condizioni controllate, prossime all'equilibrio termico, tipiche di un ciclo di riscaldamento in produzione. Non ha modellato né compensato esplicitamente gli errori indotti termicamente che si verificano durante cicli di produzione prolungati o significative fluttuazioni della temperatura ambiente. Inoltre, non è stata valutata l'efficacia del protocollo su macchine con grave usura o danni a guide/viti a ricircolo di sfere. Anche l'impatto di forze di taglio molto elevate sull'annullamento della compensazione andava oltre l'ambito attuale.

4.3 Implicazioni pratiche

Il protocollo dimostrato fornisce ai produttori un metodo robusto e ripetibile per ottenere una tornitura cilindrica ad alta precisione, essenziale per applicazioni nei settori aerospaziale, dei dispositivi medici e dei componenti automobilistici ad alte prestazioni. Riduce i tassi di scarto associati alle non conformità della conicità e riduce al minimo la necessità di affidarsi all'abilità dell'operatore per la compensazione manuale. Il requisito dell'interferometria laser rappresenta un investimento, ma è giustificato per gli impianti che richiedono tolleranze a livello di micron.

5 Conclusion

Questo studio dimostra che la calibrazione sistematica di precisione, che utilizza l'interferometria laser per la mappatura volumetrica degli errori geometrici e la successiva compensazione del controllo CNC, è altamente efficace per eliminare gli errori di conicità negli alberi torniti a controllo numerico. I risultati sperimentali hanno dimostrato riduzioni superiori all'89%, ottenendo una conicità residua inferiore a 2 µm/100 mm. Il meccanismo principale è la compensazione accurata degli errori di posizionamento lineare e delle deviazioni angolari (beccheggio, imbardata) negli assi della macchina utensile. Le principali conclusioni sono:

1. Una mappatura completa degli errori geometrici è fondamentale per identificare le deviazioni specifiche che causano la conicità.

2. La compensazione diretta di queste deviazioni all'interno del controllo CNC rappresenta una soluzione altamente efficace.

3. Il protocollo apporta notevoli miglioramenti nella precisione dimensionale utilizzando strumenti metrologici standard.