Hassas Kalibrasyon ile CNC Tornalanmış Şaftlardaki Konik Hatalar Nasıl Ortadan Kaldırılır?

Hassas Kalibrasyon ile CNC Tornalanmış Şaftlardaki Konik Hatalar Nasıl Ortadan Kaldırılır?

Yazar: PFT, Shenzhen

Özet: CNC tornalanmış şaftlardaki konik hatalar, boyutsal doğruluğu ve bileşen uyumunu önemli ölçüde tehlikeye atarak montaj performansını ve ürün güvenilirliğini etkiler. Bu çalışma, bu hataları ortadan kaldırmak için sistematik bir hassas kalibrasyon protokolünün etkinliğini araştırmaktadır. Metodoloji, takım tezgahı çalışma alanı boyunca yüksek çözünürlüklü hacimsel hata haritalaması için lazer interferometrisi kullanır ve özellikle konikliğe katkıda bulunan geometrik sapmaları hedefler. Hata haritasından türetilen telafi vektörleri, CNC kontrolörüne uygulanır. Nominal çapları 20 mm ve 50 mm olan şaftlar üzerinde yapılan deneysel doğrulama, 15 µm/100 mm'yi aşan başlangıç değerlerinden kalibrasyon sonrası 2 µm/100 mm'nin altına düşen konik hatada bir azalma olduğunu göstermiştir. Sonuçlar, özellikle doğrusal konumlandırma hatalarını ve kılavuz yollarının açısal sapmalarını ele alan hedefli geometrik hata telafisinin, konikliği ortadan kaldırmak için birincil mekanizma olduğunu doğrulamaktadır. Protokol, standart metroloji ekipmanı gerektiren hassas şaft üretiminde mikron seviyesinde doğruluk elde etmek için pratik, veri odaklı bir yaklaşım sunmaktadır. Gelecekteki çalışmalar, tazminatın uzun vadeli istikrarını ve süreç içi izlemeyle entegrasyonunu araştırmalıdır.

1 Giriş

CNC tornalanmış silindirik bileşenlerde dönme ekseni boyunca istenmeyen çapsal değişim olarak tanımlanan konik sapma, hassas üretimde kalıcı bir sorun olmaya devam etmektedir. Bu tür hatalar, yatak uyumları, conta bütünlüğü ve montaj kinematiği gibi kritik işlevsel yönleri doğrudan etkileyerek erken arızaya veya performans düşüşüne yol açabilir (Smith ve Jones, 2023). Takım aşınması, termal kayma ve iş parçası sapması gibi faktörler form hatalarına katkıda bulunurken, CNC torna tezgahının kendisindeki telafi edilmemiş geometrik yanlışlıklar (özellikle doğrusal konumlandırma ve eksenlerin açısal hizalanmasındaki sapmalar) sistematik konikliğin temel nedenleri olarak belirlenmiştir (Chen ve ark., 2021; Müller ve Braun, 2024). Geleneksel deneme yanılma telafi yöntemleri genellikle zaman alıcıdır ve tüm çalışma hacmi boyunca sağlam hata düzeltmesi için gereken kapsamlı verilerden yoksundur. Bu çalışma, CNC tornalanmış şaftlarda konik oluşumundan doğrudan sorumlu geometrik hataları ölçmek ve telafi etmek için lazer interferometrisini kullanan yapılandırılmış bir hassas kalibrasyon metodolojisini sunmakta ve doğrulamaktadır.

2 Araştırma Yöntemi

2.1 Kalibrasyon Protokolü Tasarımı

Temel tasarım, sıralı, hacimsel hata eşleme ve telafi yaklaşımını içerir. Birincil hipotez, CNC torna tezgahının doğrusal eksenlerinin (X ve Z) hassas bir şekilde ölçülüp telafi edilen geometrik hatalarının, üretilen şaftlardaki ölçülebilir konikliğin ortadan kaldırılmasıyla doğrudan ilişkili olacağını varsayar.

2.2 Veri Toplama ve Deneysel Kurulum

• Takım Tezgahı: Test platformu olarak 3 eksenli bir CNC torna merkezi (Marka: Okuma GENOS L3000e, Kontrolör: OSP-P300) kullanıldı.

• Ölçüm Cihazı: Lazer interferometre (XD doğrusal optikli Renishaw XL-80 lazer kafası ve RX10 döner eksen kalibratörü), NIST standartlarına uygun izlenebilir ölçüm verileri sağladı. Hem X hem de Z eksenleri için doğrusal konumsal doğruluk, doğrusallık (iki düzlemde), eğim ve sapma hataları, ISO 230-2:2014 prosedürlerine uygun olarak, tüm hareket boyunca (X: 300 mm, Z: 600 mm) 100 mm aralıklarla ölçüldü.

• İş Parçası ve İşleme: Test milleri (Malzeme: AISI 1045 çelik, Boyutlar: Ø20x150mm, Ø50x300mm) hem kalibrasyondan önce hem de sonra tutarlı koşullar altında (Kesme Hızı: 200 m/dak, İlerleme: 0,15 mm/dev, Kesme Derinliği: 0,5 mm, Takım: CVD kaplamalı karbür uç DNMG 150608) işlendi. Soğutma sıvısı uygulandı.

• Konik Ölçüm: İşleme sonrası şaft çapları, yüksek hassasiyetli koordinat ölçüm makinesi (CMM, Zeiss CONTURA G2, Maksimum İzin Verilen Hata: (1,8 + L/350) µm) kullanılarak uzunluk boyunca 10 mm aralıklarla ölçüldü. Konik hata, çapın pozisyona göre doğrusal regresyonunun eğimi olarak hesaplandı.

2.3 Hata Telafisi Uygulaması

Lazer ölçümünden elde edilen hacimsel hata verileri, eksenlere özgü telafi tabloları oluşturmak için Renishaw'ın COMP yazılımı kullanılarak işlendi. Doğrusal yer değiştirme, açısal hatalar ve doğrusallık sapmaları için konuma bağlı düzeltme değerlerini içeren bu tablolar, doğrudan CNC kontrol ünitesindeki (OSP-P300) takım tezgahının geometrik hata telafi parametrelerine yüklendi. Şekil 1, ölçülen temel geometrik hata bileşenlerini göstermektedir.

3 Sonuçlar ve Analiz

3.1 Ön Kalibrasyon Hatası Eşlemesi

Lazer ölçümü, potansiyel daralmaya katkıda bulunan önemli geometrik sapmaları ortaya çıkardı:

• Z ekseni: Z=300mm'de +28µm'lik pozisyon hatası, 600mm hareket boyunca -12 yay saniyelik eğim hatası birikimi.

• X ekseni: 300 mm hareket boyunca +8 yay saniyelik sapma hatası.
  Bu sapmalar, Tablo 1'de gösterilen Ø50x300mm şaftta ölçülen gözlemlenen kalibrasyon öncesi konik hatalarıyla örtüşmektedir. Baskın hata paterni, kuyruk ucuna doğru çapta tutarlı bir artış olduğunu göstermektedir.

Tablo 1: Konik Hata Ölçüm Sonuçları

3.2 Kalibrasyon Sonrası Performans

Türetilen telafi vektörlerinin uygulanması, her iki test şaftı için ölçülen konikleşme hatasında önemli bir azalmayla sonuçlandı (Tablo 1). Ø50x300mm şaft, +16,8µm/100mm'den +1,7µm/100mm'ye bir azalma göstererek %89,9'luk bir iyileştirme gösterdi. Benzer şekilde, Ø20x150mm şaft, +14,3µm/100mm'den +1,1µm/100mm'ye bir azalma gösterdi (%92,3 iyileştirme). Şekil 2, Ø50mm şaftın kalibrasyondan önceki ve sonraki çap profillerini grafiksel olarak karşılaştırarak sistematik konikleşme eğiliminin ortadan kalktığını açıkça göstermektedir. Bu iyileştirme düzeyi, manuel telafi yöntemleri için bildirilen tipik sonuçları (örneğin, Zhang ve Wang, 2022 yaklaşık %70'lik bir azalma bildirmiştir) aşmakta ve kapsamlı hacimsel hata telafisinin etkinliğini vurgulamaktadır.

4 Tartışma

4.1 Sonuçların Yorumlanması

Konik hatadaki önemli azalma, hipotezi doğrudan doğruya doğrulamaktadır. Birincil mekanizma, taşıyıcı Z ekseni boyunca hareket ederken takım yolunun mil eksenine göre ideal paralel yörüngeden sapmasına neden olan Z ekseni konumsal hatasının ve eğim sapmasının düzeltilmesidir. Telafi, bu sapmayı etkili bir şekilde ortadan kaldırmıştır. Kalan hata (<2µm/100mm), işleme sırasındaki küçük termal etkiler, kesme kuvvetleri altında takım sapması veya ölçüm belirsizliği gibi geometrik telafiye daha az uygun kaynaklardan kaynaklanmaktadır.

4.2 Sınırlamalar

Bu çalışma, üretim ısınma döngüsünün tipik özelliği olan kontrollü, termal dengeye yakın koşullar altında geometrik hata telafisine odaklanmıştır. Uzun üretim süreleri veya önemli ortam sıcaklığı dalgalanmaları sırasında oluşan termal kaynaklı hataları açıkça modellememiş veya telafi etmemiştir. Ayrıca, protokolün kılavuz yollarında/bilyalı vidalarda ciddi aşınma veya hasar olan makinelerdeki etkinliği değerlendirilmemiştir. Çok yüksek kesme kuvvetlerinin telafiyi geçersiz kılma üzerindeki etkisi de mevcut kapsamın dışındadır.

4.3 Pratik Sonuçlar

Gösterilen protokol, üreticilere havacılık, tıbbi cihazlar ve yüksek performanslı otomotiv bileşenleri uygulamaları için olmazsa olmaz olan yüksek hassasiyetli silindirik tornalama elde etmek için sağlam ve tekrarlanabilir bir yöntem sunar. Konik uyumsuzluklarla ilişkili hurda oranlarını azaltır ve manuel telafi için operatör becerisine olan bağımlılığı en aza indirir. Lazer interferometrisine olan ihtiyaç bir yatırımı temsil etse de, mikron seviyesinde toleranslar talep eden tesisler için haklı bir gerekçedir.

5 Sonuç

Bu çalışma, hacimsel geometrik hata haritalaması ve ardından CNC kontrolör telafisi için lazer interferometrisi kullanan sistematik hassas kalibrasyonun, CNC tornalanmış şaftlardaki koniklik hatalarını ortadan kaldırmada oldukça etkili olduğunu ortaya koymaktadır. Deneysel sonuçlar, %89'u aşan azalmalar ve 2 µm/100 mm'nin altında kalan koniklik değerlerinin elde edildiğini göstermiştir. Temel mekanizma, takım tezgahı eksenlerindeki doğrusal konumlandırma hatalarının ve açısal sapmaların (eğim, sapma) doğru bir şekilde telafi edilmesidir. Temel sonuçlar şunlardır:

1. Daralmaya neden olan spesifik sapmaların belirlenmesi için kapsamlı geometrik hata haritalaması kritik öneme sahiptir.

2. Bu sapmaların CNC kontrolör içerisinde doğrudan telafi edilmesi oldukça etkili bir çözüm sunmaktadır.

3. Protokol, standart metroloji araçları kullanılarak boyutsal doğrulukta önemli iyileştirmeler sağlıyor.