วิธีการกำจัดข้อผิดพลาดเทเปอร์บนเพลากลึง CNC ด้วยการสอบเทียบความแม่นยำ

วิธีการกำจัดข้อผิดพลาดเทเปอร์บนเพลากลึง CNC ด้วยการสอบเทียบความแม่นยำ

ผู้แต่ง: PFT, เซินเจิ้น

บทคัดย่อ: ความคลาดเคลื่อนของความเรียวในเพลากลึง CNC ส่งผลต่อความแม่นยำของมิติและความพอดีของชิ้นส่วนอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการประกอบและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ การศึกษานี้ศึกษาประสิทธิภาพของโปรโตคอลการสอบเทียบความแม่นยำอย่างเป็นระบบเพื่อขจัดความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ วิธีการนี้ใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สำหรับการทำแผนที่ความคลาดเคลื่อนเชิงปริมาตรความละเอียดสูงทั่วพื้นที่ทำงานของเครื่องมือกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกำหนดเป้าหมายความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตที่ส่งผลต่อความเรียว เวกเตอร์ชดเชยที่ได้จากแผนที่ความคลาดเคลื่อนนี้จะถูกนำไปใช้ภายในตัวควบคุม CNC การตรวจสอบความถูกต้องในการทดลองบนเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางปกติ 20 มม. และ 50 มม. แสดงให้เห็นว่าความคลาดเคลื่อนของความเรียวลดลงจากค่าเริ่มต้นที่เกิน 15 ไมโครเมตร/100 มม. เหลือน้อยกว่า 2 ไมโครเมตร/100 มม. หลังการสอบเทียบ ผลการศึกษายืนยันว่าการชดเชยความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตที่กำหนดเป้าหมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดการความคลาดเคลื่อนตำแหน่งเชิงเส้นและความคลาดเคลื่อนเชิงมุมของรางนำทาง เป็นกลไกหลักในการกำจัดความเรียว โปรโตคอลนี้นำเสนอแนวทางที่ใช้งานได้จริงและขับเคลื่อนด้วยข้อมูล เพื่อให้ได้ความแม่นยำระดับไมครอนในการผลิตเพลาที่มีความแม่นยำ ซึ่งจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์มาตรวิทยามาตรฐาน งานวิจัยในอนาคตควรศึกษาเสถียรภาพในระยะยาวของการชดเชยและการผสานรวมกับการตรวจสอบในกระบวนการ

1 บทนำ

ความเบี่ยงเบนของความเรียว ซึ่งนิยามว่าเป็นความแปรผันของเส้นผ่านศูนย์กลางโดยไม่ได้ตั้งใจตามแนวแกนหมุนในชิ้นส่วนทรงกระบอกที่กลึงด้วยเครื่อง CNC ยังคงเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องในการผลิตที่มีความแม่นยำ ข้อผิดพลาดดังกล่าวส่งผลกระทบโดยตรงต่อฟังก์ชันการทำงานที่สำคัญ เช่น ความพอดีของตลับลูกปืน ความสมบูรณ์ของซีล และจลนศาสตร์การประกอบ ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนกำหนดหรือประสิทธิภาพลดลง (Smith & Jones, 2023) แม้ว่าปัจจัยต่างๆ เช่น การสึกหรอของเครื่องมือ การดริฟท์จากความร้อน และการโก่งตัวของชิ้นงาน ล้วนมีส่วนทำให้เกิดข้อผิดพลาดของรูปทรง แต่ความไม่แม่นยำทางเรขาคณิตที่ไม่ได้รับการชดเชยภายในเครื่องกลึง CNC เอง โดยเฉพาะความเบี่ยงเบนในการวางตำแหน่งเชิงเส้นและการจัดแนวเชิงมุมของแกน ถือเป็นสาเหตุหลักของความเรียวแบบเป็นระบบ (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024) วิธีการชดเชยแบบลองผิดลองถูกแบบดั้งเดิมมักใช้เวลานานและขาดข้อมูลที่ครอบคลุมซึ่งจำเป็นสำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพตลอดปริมาณการทำงานทั้งหมด การศึกษาครั้งนี้เสนอและตรวจสอบความถูกต้องของวิธีการสอบเทียบความแม่นยำที่มีโครงสร้างโดยใช้การรบกวนด้วยเลเซอร์เพื่อวัดและชดเชยข้อผิดพลาดทางเรขาคณิตที่รับผิดชอบโดยตรงต่อการเกิดเรียวในเพลาที่กลึงด้วย CNC

2 วิธีการวิจัย

2.1 การออกแบบโปรโตคอลการสอบเทียบ

การออกแบบแกนกลางเกี่ยวข้องกับวิธีการทำแผนที่ความคลาดเคลื่อนเชิงปริมาตรแบบลำดับและการชดเชย สมมติฐานหลักตั้งสมมติฐานว่าความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตที่วัดและชดเชยได้อย่างแม่นยำของแกนเชิงเส้น (X และ Z) ของเครื่องกลึงซีเอ็นซีจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับการกำจัดความเรียวที่วัดได้ในเพลาที่ผลิต

2.2 การรวบรวมข้อมูลและการตั้งค่าการทดลอง

• เครื่องมือกล: ศูนย์กลึง CNC 3 แกน (ยี่ห้อ: Okuma GENOS L3000e, ตัวควบคุม: OSP-P300) ทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มทดสอบ

• เครื่องมือวัด: เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (หัวเลเซอร์ Renishaw XL-80 พร้อมออปติกเชิงเส้น XD และตัวสอบเทียบแกนหมุน RX10) ให้ข้อมูลการวัดที่ตรวจสอบย้อนกลับได้ตามมาตรฐาน NIST ความแม่นยำของตำแหน่งเชิงเส้น ความตรง (ในสองระนาบ) พิทช์ และความคลาดเคลื่อนของแกน X และ Z ถูกวัดที่ช่วง 100 มม. ตลอดการเคลื่อนที่เต็ม (X: 300 มม., Z: 600 มม.) ตามขั้นตอน ISO 230-2:2014

• ชิ้นงานและการตัดเฉือน: เพลาทดสอบ (วัสดุ: เหล็ก AISI 1045, ขนาด: Ø20x150 มม., Ø50x300 มม.) ได้รับการตัดเฉือนภายใต้สภาวะที่สม่ำเสมอ (ความเร็วในการตัด: 200 ม./นาที, อัตราป้อน: 0.15 มม./รอบ, ความลึกของการตัด: 0.5 มม., เครื่องมือ: เม็ดมีดคาร์ไบด์เคลือบ CVD DNMG 150608) ทั้งก่อนและหลังการสอบเทียบ มีการเติมสารหล่อเย็น

• การวัดความเรียว: เส้นผ่านศูนย์กลางเพลาหลังการตัดเฉือนวัดเป็นช่วงๆ ละ 10 มม. ตลอดความยาวโดยใช้เครื่องวัดพิกัดความแม่นยำสูง (CMM, Zeiss CONTURA G2, ข้อผิดพลาดที่อนุญาตสูงสุด: (1.8 + L/350) µm) ข้อผิดพลาดความเรียวคำนวณจากความชันของการถดถอยเชิงเส้นของเส้นผ่านศูนย์กลางเทียบกับตำแหน่ง

2.3 การดำเนินการชดเชยข้อผิดพลาด

ข้อมูลความคลาดเคลื่อนเชิงปริมาตรจากการวัดด้วยเลเซอร์ได้รับการประมวลผลโดยใช้ซอฟต์แวร์ COMP ของ Renishaw เพื่อสร้างตารางค่าชดเชยเฉพาะแกน ตารางเหล่านี้ประกอบด้วยค่าการแก้ไขที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งสำหรับการเคลื่อนที่เชิงเส้น ความคลาดเคลื่อนเชิงมุม และความเบี่ยงเบนของความตรง ซึ่งถูกอัปโหลดโดยตรงไปยังพารามิเตอร์การชดเชยความคลาดเคลื่อนเชิงเรขาคณิตของเครื่องมือกลภายในตัวควบคุม CNC (OSP-P300) รูปที่ 1 แสดงองค์ประกอบความคลาดเคลื่อนเชิงเรขาคณิตหลักที่วัดได้

3 ผลลัพธ์และการวิเคราะห์

3.1 การแมปข้อผิดพลาดก่อนการสอบเทียบ

การวัดด้วยเลเซอร์เผยให้เห็นการเบี่ยงเบนทางเรขาคณิตที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อความเรียวที่อาจเกิดขึ้นได้:

• แกน Z: ข้อผิดพลาดตำแหน่ง +28µm ที่ Z=300 มม. ข้อผิดพลาดพิทช์สะสม -12 วินาทีเชิงโค้งในระยะการเคลื่อนที่ 600 มม.

• แกน X: ข้อผิดพลาดการหันเห +8 วินาทีเชิงโค้งเมื่อเคลื่อนที่ 300 มม.
  ค่าเบี่ยงเบนเหล่านี้สอดคล้องกับข้อผิดพลาดของความเรียวก่อนการสอบเทียบที่สังเกตได้ซึ่งวัดได้บนเพลา Ø50x300 มม. ตามที่แสดงในตารางที่ 1 รูปแบบข้อผิดพลาดที่โดดเด่นบ่งชี้ถึงการเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอของเส้นผ่านศูนย์กลางเมื่อเข้าใกล้ปลายส่วนท้าย

ตารางที่ 1: ผลการวัดค่าความคลาดเคลื่อนของเทเปอร์

3.2 ประสิทธิภาพหลังการสอบเทียบ

การนำเวกเตอร์ชดเชยที่ได้มาไปใช้ส่งผลให้ค่าความคลาดเคลื่อนเทเปอร์ที่วัดได้ลดลงอย่างมากสำหรับเพลาทดสอบทั้งสอง (ตารางที่ 1) เพลาขนาด Ø50x300 มม. แสดงการลดลงจาก +16.8µm/100 มม. เป็น +1.7µm/100 มม. ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุง 89.9% ในทำนองเดียวกัน เพลาขนาด Ø20x150 มม. แสดงการลดลงจาก +14.3µm/100 มม. เป็น +1.1µm/100 มม. (การปรับปรุง 92.3%) รูปที่ 2 แสดงการเปรียบเทียบโปรไฟล์เส้นผ่านศูนย์กลางของเพลาขนาด Ø50 มม. ก่อนและหลังการสอบเทียบอย่างชัดเจน แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการขจัดแนวโน้มเทเปอร์อย่างเป็นระบบ ระดับการปรับปรุงนี้สูงกว่าผลทั่วไปที่รายงานสำหรับวิธีการชดเชยแบบแมนนวล (เช่น Zhang & Wang, 2022 รายงานการลดลง ~70%) และเน้นย้ำถึงประสิทธิภาพของการชดเชยความคลาดเคลื่อนเชิงปริมาตรอย่างครอบคลุม

4 การอภิปราย

4.1 การตีความผลลัพธ์

การลดความคลาดเคลื่อนของเทเปอร์อย่างมีนัยสำคัญเป็นการยืนยันสมมติฐานโดยตรง กลไกหลักคือการแก้ไขข้อผิดพลาดตำแหน่งแกน Z และความเบี่ยงเบนของพิทช์ ซึ่งทำให้เส้นทางของเครื่องมือเบี่ยงเบนจากวิถีขนานในอุดมคติเมื่อเทียบกับแกนสปินเดิลขณะที่แคร่เคลื่อนที่ไปตามแกน Z การชดเชยช่วยขจัดความคลาดเคลื่อนนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความคลาดเคลื่อนตกค้าง (<2µm/100mm) น่าจะเกิดจากแหล่งที่ชดเชยทางเรขาคณิตได้ยากกว่า เช่น ผลกระทบจากความร้อนเล็กน้อยระหว่างการตัดเฉือน การโก่งตัวของเครื่องมือภายใต้แรงตัด หรือความไม่แน่นอนในการวัด

4.2 ข้อจำกัด

การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่การชดเชยความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตภายใต้สภาวะสมดุลใกล้ความร้อนแบบควบคุม ซึ่งมักพบในวงจรอุ่นเครื่องการผลิต การศึกษานี้ไม่ได้จำลองหรือชดเชยความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากความร้อนซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการผลิตที่ยาวนานหรือความผันผวนของอุณหภูมิแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญอย่างชัดเจน นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของโปรโตคอลนี้กับเครื่องจักรที่มีการสึกหรอรุนแรงหรือความเสียหายต่อรางนำ/บอลสกรูยังไม่ได้รับการประเมิน ผลกระทบของแรงตัดที่สูงมากต่อการชดเชยความคลาดเคลื่อนยังเกินขอบเขตปัจจุบันอีกด้วย

4.3 ผลกระทบเชิงปฏิบัติ

โปรโตคอลที่สาธิตนี้ช่วยให้ผู้ผลิตมีวิธีการที่แข็งแกร่งและทำซ้ำได้สำหรับการกลึงทรงกระบอกที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุปกรณ์การแพทย์ และชิ้นส่วนยานยนต์สมรรถนะสูง โปรโตคอลนี้ช่วยลดอัตราเศษวัสดุที่เกี่ยวข้องกับการไม่เป็นไปตามมาตรฐานของเทเปอร์ และลดการพึ่งพาทักษะของผู้ปฏิบัติงานในการชดเชยด้วยมือ ความต้องการอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ด้วยเลเซอร์ถือเป็นการลงทุนที่คุ้มค่า แต่ก็เหมาะสมสำหรับโรงงานที่ต้องการความคลาดเคลื่อนระดับไมครอน

5 บทสรุป

การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการสอบเทียบความแม่นยำอย่างเป็นระบบ โดยใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สำหรับการทำแผนที่ความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตเชิงปริมาตรและการชดเชยตัวควบคุมซีเอ็นซีที่ตามมา มีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดความคลาดเคลื่อนของเทเปอร์ในเพลากลึงซีเอ็นซี ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการลดลงมากกว่า 89% ทำให้ความคลาดเคลื่อนของเทเปอร์เหลือต่ำกว่า 2µm/100 มม. กลไกหลักคือการชดเชยความคลาดเคลื่อนในการวางตำแหน่งเชิงเส้นและความเบี่ยงเบนเชิงมุม (พิทช์, เยอว์) ในแกนของเครื่องมือกลได้อย่างแม่นยำ ข้อสรุปที่สำคัญมีดังนี้

1. การแมปข้อผิดพลาดทางเรขาคณิตที่ครอบคลุมถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการระบุความเบี่ยงเบนเฉพาะที่ทำให้เกิดความเรียว

2. การชดเชยค่าเบี่ยงเบนโดยตรงภายในตัวควบคุม CNC ถือเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพสูง

3. โปรโตคอลนี้มอบการปรับปรุงที่สำคัญในความแม่นยำของมิติโดยใช้เครื่องมือมาตรวิทยามาตรฐาน