Qualitätstest für Hochpräzisionsspindeln

Einführung

Eine der Schlüsselkomponenten einer Werkzeugmaschine ist die Spindel; Die Maschine könnte eine perfekte Struktur und Führungsbahnen haben, aber wenn sich die Spindelachse bewegt, zeigt das Werkstück geometrische Formfehler [1]. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Bewegung der Spindelachse zu charakterisieren, von groben Auslaufversuchen [23] bis hin zu verschiedenen berührungslosen und berührungslosen Methoden unter Verwendung von LVDTs, induktiven Sonden und Kapazitätssonden [5]. Heutzutage verwendet die am meisten akzeptierte Methode ein Hauptziel und Kapazitätssonden, die instrumentiert und an einen Personal Computer angeschlossen sind, auf dem alle Berechnungen durchgeführt werden.

Dieses moderne Achsbewegungsmessgerät ist in der Lage, eine Auflösung und Genauigkeit im Submikronbereich zu erzielen. Dieses Gerät findet seinen Platz hauptsächlich in der Forschung und Herstellung von Luftlagern und hydrostatischen Spindeln, da die Maschinen, in denen diese eingesetzt werden, hochpräzise Bauteile erfordern. Dies mag zutreffen, aber die moderne Bewegungsmessung von Spindelachsen ist auch für die Hersteller von Super Precision®-Werkzeugmaschinen eine wertvolle Ressource [4]. Die aus diesen Messungen gewonnenen Informationen können beim Auffinden von Spindelfehlern und deren Ursachen hilfreich sein. Es kann auch festgestellt werden, ob bestimmte Änderungen des Montageprozesses positive oder negative Auswirkungen haben. In den folgenden Abschnitten wird gezeigt, wie die Messung der Spindelachsenbewegung dem Hersteller von Super Precision®-Spindeln wertvolle Vorteile bietet.

Zweck der Messung der Bewegung der Spindelachse

Die Teilerundheit wird durch einen Testschnitt an der fertigen Maschine ermittelt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Spindel an der Maschine montiert, wo mehrere Abdeckungen und Stützsysteme installiert wurden. Wenn die Spindel nicht der erforderlichen Spezifikation entspricht, wird sie verworfen und es werden mehrere Stunden Montagezeit verschwendet. Dies macht einen Spindelqualitätsleistungstest erforderlich. Für ein Super Precision®-Drehzentrum sollte die Rundheit unter 0.50 µm liegen. Der Herstellungsprozess, um diese Rundheit zu erreichen, ist etabliert und größtenteils stabil.

Wenn jedoch eine fehlerhafte Spindel erkannt wird, bevor sie an der Maschine installiert werden kann, wird unnötiger Abfall vermieden. Das Messen der Rundheit der Spindel erfordert eine Antriebsquelle, eine Werkstückhaltevorrichtung für das Probenteil und ein Führungssystem für das Werkzeug. Die Lieferung all dieser Elemente für eine Spindel, die nicht an der Werkzeugmaschine installiert ist, ist unpraktisch, umständlich und kann zu zusätzlichen Fehlern bei der Rundheitsmessung führen. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wurde festgestellt, dass die Spindelachsenbewegung die am besten zu messende Eigenschaft ist, wenn sich die Spindel außerhalb der Werkzeugmaschine befindet. was anschließend mit der Spindelrundheit korreliert werden kann.

Die zu messenden Spindeln werden in einem Hochpräzisionsdrehzentrum eingesetzt. Die Spindel wird im eingebauten Zustand über ein mehrsträngiges Keilriemengetriebe angetrieben. Während des Produktionsprozesses muss die Spindel eingefahren werden, um das Fett zu entfernen. In diesem Stadium ist die Durchführung einer Spindelmessung ideal, da sie leicht instrumentiert und angetrieben werden kann. Nachdem die Bewegung der Spindelachse erfasst wurde, besteht das Hauptziel darin, die Beziehung zwischen dieser Information und der Rundheit des Teils zu finden.

Hardware und Messung

Rundheitsmessmaschine Rondcom

ABBILDUNG 1. Rundheitsmessmaschine Rondcom 54 (oben). Ausgabe der Rundheitsmessung (unten), die drei Messungen werden verwendet, um die durchschnittliche Rundheit des Schnitts zu berechnen.

Zwei wichtige Parameter, die gemessen werden müssen, sind: Rundheit des Teils (Ausgabe) und Bewegung der Spindelfehlerachse (Eingabe). Die Teilerundungsmessung ist einfach und unkompliziert. Eine C360-Messingprobe mit 1 Zoll Durchmesser wird mit 1000 U / min unter Verwendung eines natürlichen Diamanten mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0009 ipr geschnitten. Die Länge des Schnitts beträgt ebenfalls 1 Zoll und es werden 3 Rundheitsmessungen vorgenommen: oben in der Mitte und unten. Der Durchschnitt dieser drei Messungen ist der Teilerundungswert, der in den Inspektionsdateien verwendet und aufgezeichnet wird (siehe Abbildung 1).

Die Bewegung der Spindelachse wird mit einem 3-Kanal LION precision © Spindelanalysator gemessen, wenn dieser auf der Einlaufbank montiert ist. Im Allgemeinen handelt es sich bei diesem Gerät um einen Satz von Kapazitätssonden, die den relativen Abstand zu einem Masterziel messen, wenn sich die Spindel dreht. Alle diese Daten werden von der Spindelanalysator-Software [5] verarbeitet. Die Fähigkeit und Menge an Informationen, die von diesem Gerät erhalten werden können, sind immens. Wir werden uns jedoch auf die radialen Bewegungen der Spindel konzentrieren, da sie mit der Teilerundheit zusammenhängen. 

Die kapazitiven Sensoren sind durch ein Sondennest gesichert, das an einer Vorrichtung angebracht ist, die Feinjustierschrauben zur Ausrichtung aufweist. wie in Abbildung 2 gezeigt. 

Um die Eigenfrequenz der Bank zu erhalten, wird ein Funktionstest durchgeführt. Wenn der Scheinwerfer an der Laufbank befestigt ist, beträgt die Eigenfrequenz des Aufbaus 64 Hz, was höher ist als die Prüfdrehzahl von 16 Hz. Dies ist der Schlüssel, um eine Resonanz der Gerätestruktur zu vermeiden, die sich möglicherweise auf die Messungen auswirken könnte [6].

Außerdem wurde das Geräusch von sechs verschiedenen Spindelaufbauten in der Laufbank bei angehaltener Spindel gemessen. Es wurde festgestellt, dass der durchschnittliche Spitzenwert des Rauschens 0.07 um beträgt. Da dieser Wert um eine Größenordnung kleiner ist als das, was wir suchen, können die Messungen als zuverlässig angesehen werden. Das Rauschen enthält einige Frequenzen im Bereich von 60 Hz und deren Oberwellen, die höchstwahrscheinlich von den umgebenden elektrischen Systemen verursacht werden. Liegen die Leerlaufgeräuschpegel in einem nicht akzeptablen Bereich, wird der Messaufbau überprüft und die erkannten Geräuschquellen werden beseitigt.

Führen Sie Bench aus, um das Sondennest zu halten

ABBILDUNG 2 Einlauf-Tischhalterung zum Halten des Sondennests. Beachten Sie die verwendeten übergroßen Stahlplatten.

Die Signale von den X & Y-Sensoren werden mit einer Abtastfrequenz von 5 kHz aufgezeichnet. Die Daten dieser beiden Kanäle werden von der Spindelanalysatorsoftware in einem rotationsempfindlichen Richtungsgraphen aufgezeichnet. Dieses Diagramm wird visuell überprüft, um größere Anomalien oder Probleme festzustellen. Unser Hauptinteresse gilt den Daten, die von der X-Achsen-Sonde erfasst werden. Dies ist die empfindliche Richtung. Bei einer Drehmaschine ist die empfindliche Richtung dort, wo das Werkzeug senkrecht zur Drehachse in der XY-Ebene steht. Jede Spindelbewegung entlang dieser Achse wirkt sich direkt auf die Rundheit der bearbeiteten Teile aus [1].

Es gibt verschiedene Ansätze zur Analyse der Bewegung der Fehlerachse, von einfachen Zeitbereichstechniken bis hin zur erweiterten Frequenzbereichsfilterung [1] [6]. Die synchrone (oder durchschnittliche) Fehlerbewegung wurde aufgrund ihrer Stabilität und Selbstfilterung als Hauptanalyseparameter ausgewählt. Der synchrone Fehler ist die Komponente der gesamten Fehlerbewegung, die bei ganzzahligen Vielfachen der Rotationsfrequenz auftritt [5]. Sie wird typischerweise erhalten, indem eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen gemittelt und der Abstand zwischen den minimalen und maximalen beschrifteten Kreisen berechnet wird. Aus physikalischer Sicht ist es auch sinnvoll, den synchronen Fehler zu verwenden, da während des Schneidvorgangs die meisten asynchronen Fehler Teil der Oberflächenbeschaffenheit [1] und nicht der Form sind.

Synchrone Fehlergröße

ABBILDUNG 3. Unter Verwendung desselben Achsbewegungsdatensatzes wurde der Synchronfehler für eine unterschiedliche Anzahl von Windungen berechnet. Ein exponentielles Verhalten ist leicht zu beobachten.

Zur Vereinfachung der Achsbewegungsmessung wird kein Encoder verwendet. Der Drehwinkel wird durch Belassen einer kleinen Exzentrizität (10 µm) auf dem Hauptziel erhalten. Dies fügt den Sensordaten eine sinusförmige Komponente hinzu, die durch Anpassen einer Sinuswelle kleinster Quadrate an die Daten entfernt wird. Die angepasste Sinuswelle wird auch verwendet, um den Drehwinkel der Spindel zu erhalten.

Die Anzahl der Umdrehungen, die zur Berechnung der synchronen Fehlerbewegung verwendet werden, ist keine triviale Angelegenheit. Das Verhalten zwischen der Größe des Synchronfehlers und der Anzahl der verwendeten Windungen ist exponentiell (siehe Abbildung 3). Wenn nicht genügend Windungen verwendet werden, ist der Synchronfehler zu hoch. Wenn andererseits zu viele Windungen verwendet werden, gehen Informationen aus dem Synchronfehler aufgrund der Mittelwertbildung verloren. Bei Verwendung von 10 Umdrehungen zur Berechnung der synchronen Fehlerbewegung wurde ein gutes Gleichgewicht gefunden, da dort die Exponentialfunktion abzuflachen beginnt. Außerdem beträgt der Standardwert für die Anzahl der Umdrehungen, die für Berechnungen mit dem LION © Spindelanalysator verwendet werden, 10.

Modell der erwarteten Rundheit

Unser Hauptziel ist es, die gemessene Achsbewegung der Spindel auf der Laufbank mit dem Durchschnitt der Maschinenrundung in Beziehung zu setzen. Die Leistung des Rundheitsschnitts der Maschine hängt von mehreren Faktoren ab, von denen einige direkt mit der Spindel selbst zusammenhängen und andere von der Maschinenbaugruppe abhängen. Dies ist wichtig zu verstehen, da es eine Variationsquelle gibt, die nicht mit der gemessenen Bewegung der Spindelachse zusammenhängt. Um die Auswirkung dieser Abweichung zu minimieren, werden die Rundungsschnitte ausgeführt, nachdem die Maschine richtig ausgewuchtet und ausgerichtet wurde. Eine Spindel wird als nicht akzeptabel angesehen, wenn der durchschnittliche Rundheitsschnitt über 0.50 um liegt.

Um einen Wert für die erwartete Rundheit zu erhalten, wurde der Synchronfehler der Spindelachse berechnet, indem jede Umdrehung in 2-Grad-Intervalle geteilt, die Bewegung für 10 Umdrehungen gemittelt und die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Durchschnitt genommen wurde. Diese Berechnung wird als mittlere Rundheit betrachtet; Dieser Wert ist jedoch keine vollständige Darstellung des Prozesses. In diesem Sinne werden die Werte, die das Maximum und das Minimum über die 10 Windungen definieren, verwendet, um die Standardabweichung zu erhalten. Mit den Mitteln und den Standardabweichungen wird aus der Student-t-Verteilung [7] das obere Konfidenzintervall für das Maximum und das untere für das Minimum berechnet. Der Unterschied zwischen diesen Intervallen ist unsere erwartete Rundheit. Abbildung 4 zeigt die Schritte zur Berechnung der erwarteten Rundheit.

Ein Konfidenzniveau von 99% wurde gewählt, da das Hauptziel darin besteht, die Installation einer schlechten Spindel auf einer Maschine zu vermeiden. In diesem Fall wird viel Zeit und Geld verschwendet.

Rundheitsmodell

Testergebnisse

Erwartete vs durchschnittliche Rundheit

ABBILDUNG 5. Erwartete Rundheit und tatsächliche Rundheit der Schnittteile aus dem Durchschnitt von drei Messungen.

Der vorgeschlagene Ansatz wurde auf 7 Produktionsspindeln angewendet, indem die Achsbewegung auf dem Lauftisch gemessen wurde, wobei die erwartete Rundheit berechnet und anschließend die Rundheit aus Testschnitten gemessen wurde. Diese Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt.

Es kann beobachtet werden, dass sechs der sieben erwarteten Werte genau vorhersagten, ob die Spindel den Rundheitsschnitt bestehen oder nicht bestehen würde. 

Die Spindel 3, bei der die erwartete Rundheit anzeigt, dass die Spindel nicht durchgehen würde, zeigt, dass das Verfahren ausfallsicher arbeitet. Da das Qualifizieren einer schlechten Spindel als gut viel teurer ist als das umgekehrte Szenario. Wenn die Vorhersage einen höheren Rundheitswert als den maximal zulässigen (0.50 & mgr; m) aufweist, wird die Spindel weiter geprüft, um festzustellen, ob ein Fehler vorliegt.

Schlussfolgerungen

Bei Verwendung der Bewegung der Spindelfehlerachse kann eine erwartete Rundheit mit einem Konfidenzniveau von 99% berechnet werden. Dies ist ein wertvolles Werkzeug für die Herstellung und vermeidet die Montage von Spindeln, die den Rundheitsschnitt nicht bestehen. Es versteht sich, dass eine gewisse inhärente Variabilität von der Maschinenbaugruppe und nicht nur von der Bewegung der Spindelachse herrührt. Beispiele für Maschinenmontagefaktoren, die die Rundheit beeinflussen, sind: Auswuchten, Achsenvibration, Maschinensteifigkeit, Teilematerial, Werkzeugmaterial, Schnittparameter, Vibration der Zusatzausrüstung usw. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Berechnung der erwarteten Rundheit darin bestehen, dass dies hilfreich sein kann um festzustellen, ob das Problem an der Maschine oder der Spindel liegt. 

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei Terry S. George C. und Matt B. für die Entwicklung dieser Methodik. Darüber hinaus möchten wir Hardinge Inc. anerkennen.   

Referenzen

  1. B. Bryan, P. Vanherek, "Vereinheitlichung der Terminologie bezüglich der Fehlerbewegung der Drehachsen", 20. Juni 1975, CIRP
  2. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin, "Ein Messsystem zur Bewertung der Spindeldrehgenauigkeit" 18. September 1972 13th Internationale Konferenz für Werkzeugmaschinendesign und Forschung.
  3. Schlesinger, „Prüfung von Werkzeugmaschinen“, 1966 7th Hrsg., Machinery Publishing Co. Ltd.
  4. Kushnir, „Hochpräzises Drehzentrum: Hochpräzises Hartdrehen mit mehreren Werkzeugmaschinen“ 20. Oktober 2013 ASPE
  5. Lion Precision, “Bedienungsanleitung Advance Spindle Error Analyzer v7”, 2003
  6. R. March, "Precision Spindle Metrology" 2010, 2nd ed, DEStech-Publikationen
  7. C. Montgomery, „Einführung in die statistische Qualitätskontrolle“, 2009 6th ed, John Wiley & Sons

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