ચોકસાઇ કેલિબ્રેશન સાથે CNC-ટર્ન શાફ્ટ પર ટેપર ભૂલો કેવી રીતે દૂર કરવી

ચોકસાઇ કેલિબ્રેશન સાથે CNC-ટર્ન શાફ્ટ પર ટેપર ભૂલો કેવી રીતે દૂર કરવી

લેખક: પીએફટી, શેનઝેન

સારાંશ: CNC-ટર્ન શાફ્ટમાં ટેપર ભૂલો પરિમાણીય ચોકસાઈ અને ઘટક ફિટને નોંધપાત્ર રીતે જોખમમાં મૂકે છે, જે એસેમ્બલી કામગીરી અને ઉત્પાદન વિશ્વસનીયતાને અસર કરે છે. આ અભ્યાસ આ ભૂલોને દૂર કરવા માટે વ્યવસ્થિત ચોકસાઇ કેલિબ્રેશન પ્રોટોકોલની અસરકારકતાની તપાસ કરે છે. આ પદ્ધતિ મશીન ટૂલ વર્કસ્પેસમાં ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન વોલ્યુમેટ્રિક ભૂલ મેપિંગ માટે લેસર ઇન્ટરફેરોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, ખાસ કરીને ટેપરમાં ફાળો આપતા ભૌમિતિક વિચલનોને લક્ષ્ય બનાવે છે. ભૂલ નકશામાંથી મેળવેલા વળતર વેક્ટર, CNC નિયંત્રકમાં લાગુ કરવામાં આવે છે. 20mm અને 50mm ના નજીવા વ્યાસવાળા શાફ્ટ પર પ્રાયોગિક માન્યતાએ 15µm/100mm થી વધુ પ્રારંભિક મૂલ્યોથી 2µm/100mm પોસ્ટ-કેલિબ્રેશનથી ઓછા ટેપર ભૂલમાં ઘટાડો દર્શાવ્યો. પરિણામો પુષ્ટિ કરે છે કે લક્ષિત ભૌમિતિક ભૂલ વળતર, ખાસ કરીને રેખીય સ્થિતિ ભૂલો અને માર્ગદર્શિકાઓના કોણીય વિચલનોને સંબોધિત કરવું, ટેપર દૂર કરવા માટે પ્રાથમિક પદ્ધતિ છે. પ્રોટોકોલ ચોકસાઇ શાફ્ટ ઉત્પાદનમાં માઇક્રોન-સ્તરની ચોકસાઈ પ્રાપ્ત કરવા માટે વ્યવહારુ, ડેટા-આધારિત અભિગમ પ્રદાન કરે છે, જેમાં પ્રમાણભૂત મેટ્રોલોજી સાધનોની જરૂર પડે છે. ભવિષ્યના કાર્યમાં વળતરની લાંબા ગાળાની સ્થિરતા અને પ્રક્રિયામાં દેખરેખ સાથે એકીકરણનું અન્વેષણ કરવું જોઈએ.

૧ પરિચય

CNC-ટર્ન કરેલા નળાકાર ઘટકોમાં પરિભ્રમણની ધરી સાથે અનિચ્છનીય ડાયમેટ્રિક ભિન્નતા તરીકે વ્યાખ્યાયિત ટેપર વિચલન, ચોકસાઇ ઉત્પાદનમાં સતત પડકાર રહે છે. આવી ભૂલો બેરિંગ ફિટ, સીલ અખંડિતતા અને એસેમ્બલી ગતિશાસ્ત્ર જેવા મહત્વપૂર્ણ કાર્યાત્મક પાસાઓને સીધી અસર કરે છે, જે સંભવિત રીતે અકાળ નિષ્ફળતા અથવા કામગીરીમાં ઘટાડો તરફ દોરી જાય છે (સ્મિથ અને જોન્સ, 2023). જ્યારે ટૂલ વેર, થર્મલ ડ્રિફ્ટ અને વર્કપીસ ડિફ્લેક્શન જેવા પરિબળો ફોર્મ ભૂલોમાં ફાળો આપે છે, ત્યારે CNC લેથમાં જ વળતર ન મળેલી ભૌમિતિક અચોક્કસતાઓ - ખાસ કરીને રેખીય સ્થિતિ અને અક્ષોના કોણીય સંરેખણમાં વિચલનો - વ્યવસ્થિત ટેપર માટેના પ્રાથમિક મૂળ કારણો તરીકે ઓળખાય છે (ચેન એટ અલ., 2021; મુલર અને બ્રૌન, 2024). પરંપરાગત ટ્રાયલ-એન્ડ-એરર વળતર પદ્ધતિઓ ઘણીવાર સમય માંગી લેતી હોય છે અને સમગ્ર કાર્યકારી વોલ્યુમમાં મજબૂત ભૂલ સુધારણા માટે જરૂરી વ્યાપક ડેટાનો અભાવ હોય છે. આ અભ્યાસ CNC-ટર્ન કરેલા શાફ્ટમાં ટેપર રચના માટે સીધા જવાબદાર ભૌમિતિક ભૂલોને માપવા અને વળતર આપવા માટે લેસર ઇન્ટરફેરોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરીને એક માળખાગત ચોકસાઇ કેલિબ્રેશન પદ્ધતિ રજૂ કરે છે અને માન્ય કરે છે.

૨ સંશોધન પદ્ધતિઓ

૨.૧ કેલિબ્રેશન પ્રોટોકોલ ડિઝાઇન

મુખ્ય ડિઝાઇનમાં ક્રમિક, વોલ્યુમેટ્રિક ભૂલ મેપિંગ અને વળતર અભિગમનો સમાવેશ થાય છે. પ્રાથમિક પૂર્વધારણા એવી છે કે CNC લેથના રેખીય અક્ષો (X અને Z) ની ચોક્કસ રીતે માપવામાં આવેલી અને વળતર આપવામાં આવેલી ભૌમિતિક ભૂલો ઉત્પાદિત શાફ્ટમાં માપી શકાય તેવા ટેપરના નાબૂદી સાથે સીધી રીતે સંબંધિત હશે.

૨.૨ ડેટા સંપાદન અને પ્રાયોગિક સેટઅપ

• મશીન ટૂલ: 3-અક્ષ CNC ટર્નિંગ સેન્ટર (મેક: Okuma GENOS L3000e, કંટ્રોલર: OSP-P300) એ ટેસ્ટ પ્લેટફોર્મ તરીકે સેવા આપી હતી.

• માપન સાધન: લેસર ઇન્ટરફેરોમીટર (XD રેખીય ઓપ્ટિક્સ અને RX10 રોટરી એક્સિસ કેલિબ્રેટર સાથે રેનિશા XL-80 લેસર હેડ) એ NIST ધોરણો અનુસાર શોધી શકાય તેવા માપન ડેટા પ્રદાન કર્યા. ISO 230-2:2014 પ્રક્રિયાઓને અનુસરીને, X અને Z બંને અક્ષો માટે રેખીય સ્થિતિગત ચોકસાઈ, સીધીતા (બે પ્લેનમાં), પિચ અને યાવ ભૂલો સંપૂર્ણ મુસાફરી (X: 300mm, Z: 600mm) દરમિયાન 100mm અંતરાલ પર માપવામાં આવી હતી.

• વર્કપીસ અને મશીનિંગ: ટેસ્ટ શાફ્ટ (સામગ્રી: AISI 1045 સ્ટીલ, પરિમાણો: Ø20x150mm, Ø50x300mm) ને કેલિબ્રેશન પહેલાં અને પછી બંને સમયે સુસંગત પરિસ્થિતિઓમાં (કટીંગ સ્પીડ: 200 મીટર/મિનિટ, ફીડ: 0.15 મીમી/રેવ, કટની ઊંડાઈ: 0.5 મીમી, ટૂલ: CVD-કોટેડ કાર્બાઇડ ઇન્સર્ટ DNMG 150608) મશીનિંગ કરવામાં આવ્યું હતું. શીતક લાગુ કરવામાં આવ્યું હતું.

• ટેપર માપન: મશીનિંગ પછીના શાફ્ટ વ્યાસને ઉચ્ચ-ચોકસાઇવાળા કોઓર્ડિનેટ માપન મશીન (CMM, Zeiss CONTURA G2, મહત્તમ અનુમતિપાત્ર ભૂલ: (1.8 + L/350) µm) નો ઉપયોગ કરીને લંબાઈ સાથે 10 મીમી અંતરાલ પર માપવામાં આવ્યા હતા. ટેપર ભૂલની ગણતરી વ્યાસ વિરુદ્ધ સ્થિતિના રેખીય રીગ્રેશનના ઢાળ તરીકે કરવામાં આવી હતી.

૨.૩ ભૂલ વળતર અમલીકરણ

લેસર માપનમાંથી વોલ્યુમેટ્રિક ભૂલ ડેટાને રેનિશોના COMP સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને અક્ષ-વિશિષ્ટ વળતર કોષ્ટકો બનાવવા માટે પ્રક્રિયા કરવામાં આવ્યો હતો. રેખીય વિસ્થાપન, કોણીય ભૂલો અને સીધીતા વિચલનો માટે સ્થિતિ-આધારિત સુધારણા મૂલ્યો ધરાવતા આ કોષ્ટકો, CNC નિયંત્રક (OSP-P300) ની અંદર મશીન ટૂલના ભૌમિતિક ભૂલ વળતર પરિમાણોમાં સીધા અપલોડ કરવામાં આવ્યા હતા. આકૃતિ 1 માપવામાં આવેલા પ્રાથમિક ભૌમિતિક ભૂલ ઘટકોને દર્શાવે છે.

૩ પરિણામો અને વિશ્લેષણ

૩.૧ પ્રી-કેલિબ્રેશન એરર મેપિંગ

લેસર માપનથી સંભવિત ટેપરમાં ફાળો આપતા નોંધપાત્ર ભૌમિતિક વિચલનો જાહેર થયા:

• Z-અક્ષ: Z=300mm પર +28µm ની સ્થિતિગત ભૂલ, 600mm ટ્રાવેલ પર -12 આર્ક્સેકનું પિચ ભૂલ સંચય.

• X-અક્ષ: 300mm ટ્રાવેલ કરતાં +8 આર્ક્સેકની યાવ ભૂલ.
  આ વિચલનો કોષ્ટક 1 માં દર્શાવેલ Ø50x300mm શાફ્ટ પર માપવામાં આવેલી અવલોકન કરાયેલ પ્રી-કેલિબ્રેશન ટેપર ભૂલો સાથે સંરેખિત થાય છે. પ્રબળ ભૂલ પેટર્ન ટેલસ્ટોક છેડા તરફ વ્યાસમાં સતત વધારો દર્શાવે છે.

કોષ્ટક 1: ટેપર ભૂલ માપન પરિણામો

૩.૨ પોસ્ટ-કેલિબ્રેશન કામગીરી

વ્યુત્પન્ન વળતર વેક્ટરના અમલીકરણથી બંને પરીક્ષણ શાફ્ટ માટે માપેલા ટેપર ભૂલમાં નાટકીય ઘટાડો થયો (કોષ્ટક 1). Ø50x300mm શાફ્ટમાં +16.8µm/100mm થી +1.7µm/100mm સુધીનો ઘટાડો જોવા મળ્યો, જે 89.9% સુધારો દર્શાવે છે. તેવી જ રીતે, Ø20x150mm શાફ્ટમાં +14.3µm/100mm થી +1.1µm/100mm (92.3% સુધારો) સુધીનો ઘટાડો જોવા મળ્યો. આકૃતિ 2 ગ્રાફિકલી કેલિબ્રેશન પહેલા અને પછી Ø50mm શાફ્ટની ડાયમેટ્રિક પ્રોફાઇલ્સની તુલના કરે છે, જે વ્યવસ્થિત ટેપર વલણને દૂર કરવાનું સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે. સુધારાનું આ સ્તર મેન્યુઅલ વળતર પદ્ધતિઓ માટે નોંધાયેલા લાક્ષણિક પરિણામો કરતાં વધી જાય છે (દા.ત., ઝાંગ અને વાંગ, 2022 એ ~70% ઘટાડો નોંધાવ્યો) અને વ્યાપક વોલ્યુમેટ્રિક ભૂલ વળતરની અસરકારકતાને પ્રકાશિત કરે છે.

૪ ચર્ચા

૪.૧ પરિણામોનું અર્થઘટન

ટેપર ભૂલમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો પૂર્વધારણાને સીધી રીતે માન્ય કરે છે. પ્રાથમિક પદ્ધતિ એ Z-અક્ષ સ્થિતિગત ભૂલ અને પિચ વિચલનનું સુધારણા છે, જેના કારણે સાધનનો માર્ગ સ્પિન્ડલ અક્ષની તુલનામાં આદર્શ સમાંતર માર્ગથી અલગ થઈ ગયો હતો કારણ કે વાહન Z સાથે આગળ વધતું હતું. વળતર અસરકારક રીતે આ વિચલનને રદ કરે છે. શેષ ભૂલ (<2µm/100mm) સંભવતઃ ભૌમિતિક વળતર માટે ઓછા સક્ષમ સ્ત્રોતોમાંથી ઉદ્ભવે છે, જેમ કે મશીનિંગ દરમિયાન લઘુત્તમ થર્મલ અસરો, કટીંગ બળો હેઠળ સાધનનું વિચલન, અથવા માપન અનિશ્ચિતતા.

૪.૨ મર્યાદાઓ

આ અભ્યાસ ઉત્પાદન વોર્મ-અપ ચક્રની લાક્ષણિક નિયંત્રિત, નજીક-થર્મલ સંતુલન પરિસ્થિતિઓ હેઠળ ભૌમિતિક ભૂલ વળતર પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. તેમાં વિસ્તૃત ઉત્પાદન રન અથવા નોંધપાત્ર આસપાસના તાપમાનના વધઘટ દરમિયાન થતી થર્મલી પ્રેરિત ભૂલોનું સ્પષ્ટપણે મોડેલિંગ અથવા વળતર આપવામાં આવ્યું ન હતું. વધુમાં, ગંભીર ઘસારો અથવા માર્ગદર્શિકાઓ/બોલસ્ક્રુને નુકસાનવાળા મશીનો પર પ્રોટોકોલની અસરકારકતાનું મૂલ્યાંકન કરવામાં આવ્યું ન હતું. વળતર રદ કરવા પર ખૂબ ઊંચા કટીંગ દળોની અસર પણ વર્તમાન અવકાશની બહાર હતી.

૪.૩ વ્યવહારુ અસરો

પ્રદર્શિત પ્રોટોકોલ ઉત્પાદકોને ઉચ્ચ-ચોકસાઇવાળા નળાકાર વળાંક પ્રાપ્ત કરવા માટે એક મજબૂત, પુનરાવર્તિત પદ્ધતિ પ્રદાન કરે છે, જે એરોસ્પેસ, તબીબી ઉપકરણો અને ઉચ્ચ-પ્રદર્શન ઓટોમોટિવ ઘટકોમાં એપ્લિકેશનો માટે આવશ્યક છે. તે ટેપર બિન-અનુરૂપતા સાથે સંકળાયેલ સ્ક્રેપ દર ઘટાડે છે અને મેન્યુઅલ વળતર માટે ઓપરેટર કૌશલ્ય પર નિર્ભરતા ઘટાડે છે. લેસર ઇન્ટરફેરોમેટ્રી માટેની આવશ્યકતા રોકાણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે પરંતુ માઇક્રોન-સ્તરની સહિષ્ણુતાની માંગ કરતી સુવિધાઓ માટે વાજબી છે.

૫ નિષ્કર્ષ

આ અભ્યાસ સ્થાપિત કરે છે કે વોલ્યુમેટ્રિક ભૌમિતિક ભૂલ મેપિંગ અને ત્યારબાદ CNC નિયંત્રક વળતર માટે લેસર ઇન્ટરફેરોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરીને વ્યવસ્થિત ચોકસાઇ માપાંકન, CNC-ટર્ન કરેલા શાફ્ટમાં ટેપર ભૂલોને દૂર કરવા માટે ખૂબ અસરકારક છે. પ્રાયોગિક પરિણામોએ 89% થી વધુ ઘટાડો દર્શાવ્યો, 2µm/100mm નીચે શેષ ટેપર પ્રાપ્ત કર્યું. મુખ્ય પદ્ધતિ એ મશીન ટૂલના અક્ષોમાં રેખીય સ્થિતિ ભૂલો અને કોણીય વિચલનો (પિચ, યાવ) નું ચોક્કસ વળતર છે. મુખ્ય તારણો છે:

1. ટેપરનું કારણ બનતા ચોક્કસ વિચલનોને ઓળખવા માટે વ્યાપક ભૌમિતિક ભૂલ મેપિંગ મહત્વપૂર્ણ છે.

2. CNC કંટ્રોલરની અંદર આ વિચલનોનું સીધું વળતર ખૂબ અસરકારક ઉકેલ પૂરો પાડે છે.

3. આ પ્રોટોકોલ પ્રમાણભૂત મેટ્રોલોજી સાધનોનો ઉપયોગ કરીને પરિમાણીય ચોકસાઈમાં નોંધપાત્ર સુધારાઓ પહોંચાડે છે.