Głęboka analiza poziomu precyzji i wymagań dotyczących dokładności obróbki kluczowych części obrabiarek CNC
W nowoczesnym przemyśle, obrabiarki CNC stały się podstawowym wyposażeniem do produkcji różnorodnych precyzyjnych części, dzięki wysokiej precyzji, wysokiej wydajności i wysokiemu stopniowi automatyzacji. Poziom dokładności obrabiarek CNC bezpośrednio determinuje jakość i złożoność obrabianych przez nie części, a wymagania dotyczące dokładności obróbki kluczowych części typowych odgrywają decydującą rolę w wyborze obrabiarek CNC.
Obrabiarki CNC można podzielić na różne typy w zależności od ich zastosowania, w tym proste, w pełni funkcjonalne, ultraprecyzyjne itd. Każdy typ może osiągnąć inny poziom dokładności. Proste obrabiarki CNC są nadal używane w niektórych tokarkach i frezarkach, z minimalną rozdzielczością ruchu 0,01 mm i dokładnością ruchu i obróbki zazwyczaj powyżej (0,03-0,05) mm. Ten typ obrabiarki nadaje się do niektórych zadań obróbkowych o stosunkowo niskich wymaganiach dotyczących precyzji.
Ultraprecyzyjne obrabiarki CNC są wykorzystywane głównie w specjalistycznych dziedzinach obróbki, a ich dokładność może sięgać zdumiewających poziomów poniżej 0,001 mm. Ta ultraprecyzyjna obrabiarka może wytwarzać niezwykle precyzyjne części, spełniając surowe wymagania nowoczesnych i wymagających branż, takich jak przemysł lotniczy i medyczny.
Oprócz klasyfikacji ze względu na przeznaczenie, obrabiarki CNC można również podzielić na zwykłe i precyzyjne, w oparciu o dokładność. Testowanie dokładności obrabiarek CNC zazwyczaj obejmuje 20–30 kryteriów. Jednak najbardziej reprezentatywne i charakterystyczne kryteria to głównie dokładność pozycjonowania w jednej osi, dokładność powtarzalnego pozycjonowania w jednej osi oraz okrągłość badanego przedmiotu wytwarzanego przez dwie lub więcej połączonych osi obróbki.
Dokładność pozycjonowania pojedynczej osi odnosi się do zakresu błędu podczas pozycjonowania dowolnego punktu w obrębie osi i jest kluczowym wskaźnikiem bezpośrednio odzwierciedlającym dokładność obróbki obrabiarki. Obecnie na całym świecie występują pewne różnice w przepisach, definicjach, metodach pomiaru i metodach przetwarzania danych tego wskaźnika. Przy wprowadzaniu danych przykładowych dla różnych typów obrabiarek CNC, wspólne standardy obejmują normę amerykańską (NAS), normy zalecane przez Amerykańskie Stowarzyszenie Producentów Obrabiarek (American Machine Tool Manufacturers Association), normę niemiecką (VDI), normę japońską (JIS), Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO) oraz chińską normę krajową (GB).
Należy zauważyć, że spośród tych norm, norma japońska określa najniższą. Metoda pomiaru opiera się na pojedynczym zestawie stabilnych danych, a następnie wartość błędu jest kompresowana o połowę poprzez przyjęcie wartości ±. Dlatego dokładność pozycjonowania mierzona japońskimi standardowymi metodami pomiarowymi często różni się ponad dwukrotnie w porównaniu z wynikami mierzonymi przy użyciu innych norm. Jednak inne normy, mimo że różnią się w przetwarzaniu danych, wszystkie stosują prawo statystyki błędów do analizy dokładności pomiaru i pozycjonowania. Oznacza to, że dla pewnego błędu punktu pozycjonowania w sterowanym przesuwie osi obrabiarki CNC, powinien on odzwierciedlać sytuację błędu tysięcy razy pozycjonowania podczas długotrwałego użytkowania obrabiarki. Jednak w rzeczywistych pomiarach, ze względu na ograniczenia warunków, można wykonać tylko ograniczoną liczbę pomiarów (zwykle 5-7 razy).
Dokładność powtarzalnego pozycjonowania pojedynczej osi kompleksowo odzwierciedla dokładność każdego ruchomego elementu osi, a zwłaszcza stabilność pozycjonowania osi w dowolnym punkcie pozycjonowania w obrębie skoku, co ma ogromne znaczenie. Jest to podstawowy wskaźnik pomiaru stabilności i niezawodności pracy osi. W nowoczesnych systemach CNC oprogramowanie zazwyczaj oferuje rozbudowane funkcje kompensacji błędów, które umożliwiają stabilną kompensację błędów systemowych każdego ogniwa łańcucha posuwu.
Na przykład, luz, odkształcenie sprężyste i sztywność styku każdego ogniwa łańcucha przekładni będą charakteryzować się różnymi ruchami chwilowymi w zależności od takich czynników, jak wielkość obciążenia stołu roboczego, długość drogi ruchu oraz prędkość pozycjonowania ruchu. W niektórych układach serwonapędowych z otwartą i półzamkniętą pętlą, mechaniczne elementy napędowe po zmierzeniu ich położenia będą podlegać wpływowi różnych czynników losowych, co prowadzi do znacznych błędów losowych. Na przykład, wydłużenie cieplne śrub kulowych może powodować dryft w rzeczywistej pozycji pozycjonowania stołu roboczego.
Aby kompleksowo ocenić dokładność obrabiarek CNC, oprócz wspomnianych powyżej wskaźników dokładności pojedynczej osi, kluczowe znaczenie ma również ocena dokładności obróbki wieloosiowej. Precyzja frezowania powierzchni cylindrycznych lub frezowania przestrzennych rowków spiralnych (gwintów) jest wskaźnikiem, który pozwala kompleksowo ocenić charakterystykę ruchu serwonapędu osi CNC (dwóch lub trzech osi) oraz funkcję interpolacji systemów CNC w obrabiarkach. Powszechną metodą oceny jest pomiar okrągłości obrabianej powierzchni cylindrycznej.
W procesie próbnego skrawania obrabiarek CNC, frezowanie metodą obróbki skośnej kwadratowej z czterema bokami jest również skutecznym sposobem oceny, który można wykorzystać do oceny dokładności dwóch sterowalnych osi w ruchu interpolacji liniowej. Podczas tego próbnego skrawania, frez walcowo-czołowy używany do obróbki precyzyjnej jest montowany na wrzecionie obrabiarki, a próbka okrągła umieszczona na stole roboczym jest frezowana. W przypadku małych i średnich obrabiarek, próbki okrągłe są zazwyczaj wybierane w zakresie od 200 do 300 jenów. Po zakończeniu frezowania, próbka jest umieszczana na testerze okrągłości i mierzona jest okrągłość jej obrobionej powierzchni.
Obserwacja i analiza wyników obróbki pozwala uzyskać wiele istotnych informacji na temat dokładności i wydajności obrabiarek. Jeśli na frezowanej powierzchni walcowej widoczne są wyraźne wzorce drgań frezu, świadczy to o niestabilnej prędkości interpolacji obrabiarki. Znaczny błąd eliptyczny okrągłości powstający podczas frezowania wskazuje na to, że wzmocnienia dwóch sterowanych układów osi dla ruchu interpolacyjnego nie są ze sobą zgodne. Na powierzchni kołowej, jeśli w punktach, w których każda sterowana oś zmienia kierunek, występują znaki zatrzymania (tj. w ciągłym ruchu skrawania, jeśli ruch posuwowy zatrzyma się w określonym położeniu, narzędzie utworzy niewielki fragment śladów skrawania na powierzchni obrabianej), oznacza to, że luzy osi w przód i w tył nie zostały prawidłowo wyregulowane.
Ocena dokładności obrabiarek CNC to złożony i trudny proces, a niektóre wymagają nawet dokładnej oceny po zakończeniu obróbki. Wynika to z faktu, że na dokładność obrabiarek wpływa wiele czynników, w tym konstrukcja obrabiarki, dokładność wykonania komponentów, jakość montażu, wydajność systemów sterowania oraz warunki środowiskowe panujące podczas procesu obróbki.
W zakresie projektowania konstrukcyjnego obrabiarek, rozsądny układ konstrukcyjny i sztywna konstrukcja mogą skutecznie redukować drgania i odkształcenia podczas procesu obróbki, poprawiając tym samym jej dokładność. Na przykład, zastosowanie materiałów o wysokiej wytrzymałości, zoptymalizowanych konstrukcji kolumn i belek poprzecznych itp. może przyczynić się do poprawy ogólnej stabilności obrabiarki.
Dokładność wykonania komponentów odgrywa również fundamentalną rolę w precyzji obrabiarek. Dokładność kluczowych komponentów, takich jak śruby kulowe, prowadnice liniowe i wrzeciona, bezpośrednio determinuje dokładność ruchu każdej osi ruchu obrabiarki. Wysokiej jakości śruby kulowe zapewniają precyzyjny ruch liniowy, a precyzyjne prowadnice liniowe zapewniają płynne prowadzenie.
Jakość montażu jest również istotnym czynnikiem wpływającym na dokładność obrabiarek. W procesie montażu obrabiarki konieczna jest ścisła kontrola parametrów, takich jak dokładność dopasowania, równoległość i pionowość poszczególnych komponentów, aby zapewnić precyzyjne relacje ruchu między ruchomymi częściami obrabiarki podczas pracy.
Wydajność systemu sterowania ma kluczowe znaczenie dla dokładności sterowania obrabiarkami. Zaawansowane systemy CNC umożliwiają bardziej precyzyjną kontrolę położenia, prędkości i interpolacji, poprawiając tym samym dokładność obróbki obrabiarek. Funkcja kompensacji błędów systemu CNC umożliwia kompensację w czasie rzeczywistym różnych błędów obrabiarki, co dodatkowo zwiększa dokładność obróbki.
Warunki środowiskowe podczas procesu obróbki mogą również wpływać na dokładność obrabiarki. Zmiany temperatury i wilgotności mogą powodować rozszerzalność cieplną i kurczliwość elementów obrabiarki, wpływając tym samym na dokładność obróbki. Dlatego w przypadku obróbki o wysokiej precyzji zazwyczaj konieczna jest ścisła kontrola środowiska obróbki oraz utrzymanie stałej temperatury i wilgotności.
Podsumowując, dokładność obrabiarek CNC to kompleksowy wskaźnik, na który wpływa wiele czynników. Wybierając obrabiarkę CNC, należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak rodzaj obrabiarki, poziom dokładności, parametry techniczne, a także reputację i serwis posprzedażowy producenta, w zależności od wymagań dotyczących dokładności obróbki detali. Jednocześnie, podczas użytkowania obrabiarki, należy regularnie przeprowadzać testy dokładności i konserwację, aby szybko identyfikować i rozwiązywać problemy, zapewniając stałą wysoką dokładność obrabiarki i gwarantując niezawodną produkcję wysokiej jakości detali.
Wraz z ciągłym postępem technologicznym i szybkim rozwojem produkcji, wymagania dotyczące dokładności obrabiarek CNC również stale rosną. Producenci obrabiarek CNC nieustannie prowadzą badania i innowacje, wdrażając coraz bardziej zaawansowane technologie i procesy w celu poprawy dokładności i wydajności obrabiarek. Jednocześnie stale udoskonalane są odpowiednie normy i specyfikacje branżowe, co zapewnia bardziej naukową i ujednoliconą podstawę do oceny dokładności i kontroli jakości obrabiarek CNC.
W przyszłości obrabiarki CNC będą rozwijać się w kierunku wyższej precyzji, wydajności i automatyzacji, zapewniając silniejsze wsparcie dla transformacji i modernizacji przemysłu wytwórczego. Dla przedsiębiorstw produkcyjnych dogłębne zrozumienie cech precyzyjnych obrabiarek CNC oraz rozsądny dobór i wykorzystanie obrabiarek CNC będą kluczem do poprawy jakości produktów i zwiększenia konkurencyjności rynkowej.