Cách loại bỏ lỗi côn trên trục tiện CNC bằng hiệu chuẩn chính xác

Cách loại bỏ lỗi côn trên trục tiện CNC bằng hiệu chuẩn chính xác

Tác giả: PFT, Thâm Quyến

Tóm tắt: Sai số côn trong trục tiện CNC làm giảm đáng kể độ chính xác kích thước và độ khít của linh kiện, ảnh hưởng đến hiệu suất lắp ráp và độ tin cậy của sản phẩm. Nghiên cứu này khảo sát hiệu quả của một giao thức hiệu chuẩn độ chính xác có hệ thống để loại bỏ những sai số này. Phương pháp này sử dụng giao thoa kế laser để lập bản đồ sai số thể tích độ phân giải cao trên toàn bộ không gian làm việc của máy công cụ, đặc biệt nhắm mục tiêu vào các độ lệch hình học góp phần gây ra độ côn. Các vectơ bù trừ, được lấy từ bản đồ sai số, được áp dụng trong bộ điều khiển CNC. Xác thực thực nghiệm trên các trục có đường kính danh nghĩa 20mm và 50mm đã chứng minh rằng sai số côn giảm từ các giá trị ban đầu vượt quá 15µm/100mm xuống dưới 2µm/100mm sau khi hiệu chuẩn. Kết quả xác nhận rằng bù trừ sai số hình học có mục tiêu, đặc biệt là giải quyết các sai số định vị tuyến tính và độ lệch góc của đường dẫn hướng, là cơ chế chính để loại bỏ độ côn. Giao thức này cung cấp một phương pháp tiếp cận thực tế, dựa trên dữ liệu để đạt được độ chính xác ở cấp độ micron trong sản xuất trục chính xác, đòi hỏi thiết bị đo lường tiêu chuẩn. Các nghiên cứu trong tương lai nên khám phá tính ổn định lâu dài của bù trừ và tích hợp với giám sát trong quá trình.

1 Giới thiệu

Độ lệch côn, được định nghĩa là sự thay đổi đường kính không mong muốn dọc theo trục quay trong các chi tiết hình trụ tiện CNC, vẫn là một thách thức dai dẳng trong sản xuất chính xác. Những lỗi như vậy ảnh hưởng trực tiếp đến các khía cạnh chức năng quan trọng như khớp ổ trục, tính toàn vẹn của phớt và động học lắp ráp, có khả năng dẫn đến hỏng hóc sớm hoặc giảm hiệu suất (Smith & Jones, 2023). Trong khi các yếu tố như mài mòn dụng cụ, trôi nhiệt và độ lệch của phôi góp phần gây ra lỗi hình dạng, thì độ không chính xác hình học không được bù trừ trong chính máy tiện CNC—cụ thể là độ lệch về vị trí tuyến tính và căn chỉnh góc của các trục—được xác định là nguyên nhân gốc rễ chính gây ra độ côn hệ thống (Chen và cộng sự, 2021; Müller & Braun, 2024). Các phương pháp bù trừ thử và sai truyền thống thường tốn thời gian và thiếu dữ liệu toàn diện cần thiết để hiệu chỉnh lỗi mạnh mẽ trên toàn bộ khối lượng làm việc. Nghiên cứu này trình bày và xác nhận một phương pháp hiệu chuẩn độ chính xác có cấu trúc sử dụng giao thoa kế laser để định lượng và bù trừ các lỗi hình học chịu trách nhiệm trực tiếp cho việc hình thành độ côn trong các trục tiện CNC.

2 Phương pháp nghiên cứu

2.1 Thiết kế giao thức hiệu chuẩn

Thiết kế cốt lõi bao gồm phương pháp lập bản đồ và bù trừ sai số thể tích tuần tự. Giả thuyết chính đặt ra rằng các sai số hình học được đo lường và bù trừ chính xác trên các trục tuyến tính của máy tiện CNC (X và Z) sẽ tương quan trực tiếp với việc loại bỏ độ côn có thể đo được trên các trục được gia công.

2.2 Thu thập dữ liệu và thiết lập thử nghiệm

• Máy công cụ: Trung tâm tiện CNC 3 trục (Hãng sản xuất: Okuma GENOS L3000e, Bộ điều khiển: OSP-P300) đóng vai trò là nền tảng thử nghiệm.

• Thiết bị đo lường: Giao thoa kế laser (đầu laser Renishaw XL-80 với quang học tuyến tính XD và bộ hiệu chuẩn trục quay RX10) cung cấp dữ liệu đo lường có thể truy nguyên theo tiêu chuẩn NIST. Độ chính xác vị trí tuyến tính, độ thẳng (trên hai mặt phẳng), sai số góc nghiêng và độ lệch cho cả trục X và Z được đo ở khoảng cách 100mm trên toàn bộ hành trình (X: 300mm, Z: 600mm), theo quy trình ISO 230-2:2014.

• Phôi gia công & Gia công: Trục thử nghiệm (Vật liệu: Thép AISI 1045, Kích thước: Ø20x150mm, Ø50x300mm) được gia công trong điều kiện nhất quán (Tốc độ cắt: 200 m/phút, Tốc độ tiến dao: 0,15 mm/vòng, Độ sâu cắt: 0,5 mm, Dụng cụ: Dao phay carbide phủ CVD DNMG 150608) trước và sau khi hiệu chuẩn. Chất làm mát đã được sử dụng.

• Đo độ côn: Đường kính trục sau khi gia công được đo theo khoảng cách 10 mm dọc theo chiều dài bằng máy đo tọa độ có độ chính xác cao (CMM, Zeiss CONTURA G2, Sai số cho phép tối đa: (1,8 + L/350) µm). Sai số độ côn được tính bằng độ dốc của đường hồi quy tuyến tính giữa đường kính và vị trí.

2.3 Triển khai bù lỗi

Dữ liệu sai số thể tích từ phép đo laser được xử lý bằng phần mềm COMP của Renishaw để tạo ra các bảng bù trừ theo trục. Các bảng này, chứa các giá trị hiệu chỉnh phụ thuộc vị trí cho độ dịch chuyển tuyến tính, sai số góc và độ lệch thẳng, được tải trực tiếp vào các tham số bù trừ sai số hình học của máy công cụ trong bộ điều khiển CNC (OSP-P300). Hình 1 minh họa các thành phần sai số hình học chính được đo lường.

3 Kết quả và Phân tích

3.1 Ánh xạ lỗi trước khi hiệu chuẩn

Phép đo bằng tia laser cho thấy độ lệch hình học đáng kể góp phần tạo nên độ thuôn nhọn tiềm ẩn:

• Trục Z: Sai số vị trí +28µm tại Z=300mm, sai số bước tích lũy -12 giây cung trên hành trình 600mm.

• Trục X: Lỗi lệch hướng +8 giây cung trên hành trình 300mm.
  Những độ lệch này phù hợp với các lỗi côn hiệu chuẩn trước được quan sát thấy trên trục Ø50x300mm, được thể hiện trong Bảng 1. Mẫu lỗi chủ yếu cho thấy đường kính tăng đều về phía đầu ụ động cơ.

Bảng 1: Kết quả đo sai số côn

3.2 Hiệu suất sau hiệu chuẩn

Việc triển khai các vectơ bù trừ dẫn xuất đã dẫn đến sự giảm đáng kể sai số côn đo được cho cả hai trục thử nghiệm (Bảng 1). Trục Ø50x300mm cho thấy sự giảm từ +16,8µm/100mm xuống +1,7µm/100mm, thể hiện mức cải thiện 89,9%. Tương tự, trục Ø20x150mm cho thấy sự giảm từ +14,3µm/100mm xuống +1,1µm/100mm (cải thiện 92,3%). Hình 2 so sánh đồ họa các mặt cắt đường kính của trục Ø50mm trước và sau khi hiệu chuẩn, chứng minh rõ ràng việc loại bỏ xu hướng côn hệ thống. Mức độ cải thiện này vượt quá kết quả điển hình được báo cáo cho các phương pháp bù trừ thủ công (ví dụ: Zhang & Wang, 2022 báo cáo giảm ~70%) và làm nổi bật hiệu quả của việc bù trừ sai số thể tích toàn diện.

4 Thảo luận

4.1 Giải thích kết quả

Việc giảm đáng kể sai số côn trực tiếp xác nhận giả thuyết này. Cơ chế chính là việc hiệu chỉnh sai số vị trí trục Z và độ lệch bước răng, khiến đường chạy dao lệch khỏi quỹ đạo song song lý tưởng so với trục chính khi bàn dao di chuyển dọc theo trục Z. Việc bù trừ hiệu quả đã vô hiệu hóa sự lệch này. Sai số dư (<2µm/100mm) có thể bắt nguồn từ các nguồn khó bù trừ hình học hơn, chẳng hạn như các hiệu ứng nhiệt nhỏ trong quá trình gia công, độ lệch của dao dưới tác động của lực cắt hoặc độ không chắc chắn của phép đo.

4.2 Hạn chế

Nghiên cứu này tập trung vào việc bù trừ sai số hình học trong điều kiện cân bằng nhiệt được kiểm soát, gần như điển hình của chu kỳ khởi động sản xuất. Nghiên cứu không mô hình hóa hoặc bù trừ rõ ràng cho các sai số do nhiệt gây ra trong quá trình sản xuất kéo dài hoặc biến động nhiệt độ môi trường đáng kể. Hơn nữa, hiệu quả của giao thức này trên các máy bị mài mòn nghiêm trọng hoặc hư hỏng thanh dẫn hướng/vít me bi chưa được đánh giá. Tác động của lực cắt rất lớn lên bù trừ vô hiệu hóa cũng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu hiện tại.

4.3 Ý nghĩa thực tiễn

Giao thức đã được chứng minh cung cấp cho các nhà sản xuất một phương pháp mạnh mẽ, có thể lặp lại để đạt được độ chính xác cao trong tiện trụ, thiết yếu cho các ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và linh kiện ô tô hiệu suất cao. Phương pháp này giúp giảm tỷ lệ phế liệu liên quan đến độ côn không đạt yêu cầu và giảm thiểu sự phụ thuộc vào kỹ năng của người vận hành để bù trừ thủ công. Yêu cầu về giao thoa kế laser là một khoản đầu tư nhưng hợp lý đối với các cơ sở đòi hỏi dung sai ở mức micron.

5 Kết luận

Nghiên cứu này chứng minh rằng hiệu chuẩn chính xác có hệ thống, sử dụng giao thoa kế laser để lập bản đồ sai số hình học thể tích và bù trừ bộ điều khiển CNC sau đó, có hiệu quả cao trong việc loại bỏ lỗi côn trong trục tiện CNC. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ giảm vượt quá 89%, đạt độ côn dư dưới 2µm/100mm. Cơ chế cốt lõi là bù trừ chính xác các sai số định vị tuyến tính và độ lệch góc (độ nghiêng, độ lệch) trên các trục của máy công cụ. Các kết luận chính là:

1. Việc lập bản đồ lỗi hình học toàn diện là rất quan trọng để xác định các độ lệch cụ thể gây ra hiện tượng côn.

2. Việc bù trực tiếp các độ lệch này trong bộ điều khiển CNC mang lại giải pháp có hiệu quả cao.

3. Giao thức này mang lại những cải tiến đáng kể về độ chính xác kích thước khi sử dụng các công cụ đo lường tiêu chuẩn.