Prueba de rendimiento de calidad para husillo de súper precisión

Introducción

Uno de los componentes clave de una máquina herramienta es el husillo; la máquina podría tener una estructura y guías perfectas, pero si el eje del husillo se mueve, la pieza presentará errores de forma geométrica [1]. A lo largo de los años, se han desarrollado varios métodos para caracterizar el movimiento del eje del husillo, desde pruebas de agotamiento en bruto [23], hasta varios métodos de contacto y sin contacto utilizando LVDT, sondas inductivas y sondas de capacitancia [5]. Hoy en día el método más aceptado utiliza un objetivo maestro y sondas de capacitancia instrumentadas y conectadas a una computadora personal donde se realizan todos los cálculos.

Esta moderna instrumentación de medición de movimiento del eje es capaz de resolución y precisión submicrónicas. Este equipo encuentra principalmente su lugar en la investigación y fabricación de cojinetes de aire y husillos hidrostáticos, ya que las máquinas donde se usan estos requieren componentes de ultraprecisión. Si bien esto puede ser cierto, la medición moderna del movimiento del eje del husillo también es un recurso valioso para los fabricantes de máquinas herramienta Super Precision® [4]. La información obtenida de estas mediciones puede ayudar a encontrar defectos del huso y sus fuentes. También puede identificar si ciertos cambios en el proceso de ensamblaje tienen un impacto positivo o negativo. En los siguientes párrafos se mostrará cómo la medición del movimiento del eje del husillo ofrece ventajas valiosas para el fabricante del husillo Super Precision®.

Propósito de medir el movimiento del eje del husillo

La redondez de la pieza se determina mediante un corte de prueba realizado en la máquina completa. En este punto, el husillo se ha ensamblado en la máquina, donde se han instalado varias cubiertas y sistemas de soporte. Si el eje no cumple con las especificaciones requeridas, será rechazado y se perderán varias horas de tiempo de montaje. Esto crea la necesidad de una prueba de rendimiento de calidad del husillo. Para un centro de torneado Super Precision®, la redondez debe estar por debajo de 0.50µm (20µin). El proceso de fabricación para lograr esta redondez se ha establecido y en su mayor parte es estable.

Sin embargo, si se detecta un husillo no conforme antes de que pueda instalarse en la máquina, se evitan desperdicios innecesarios. La medición de la redondez del husillo requiere una fuente de potencia de accionamiento, un dispositivo de sujeción de trabajo para la pieza de muestra y un sistema de guía para la herramienta. El suministro de todos estos elementos para un husillo que no está instalado en la máquina herramienta es poco práctico, engorroso y puede introducir errores adicionales en la medición de redondez. Teniendo en cuenta estos factores, se determinó que la característica más factible para medir cuando el husillo está fuera de la máquina herramienta es el movimiento del eje del husillo; que posteriormente puede correlacionarse con la redondez del huso.

Los husillos que se miden se utilizan en un centro de torneado de súper precisión. El husillo es accionado por una transmisión de correa en V de múltiples hilos cuando se instala en la máquina. Durante el proceso de producción, el husillo requiere un procedimiento inicial para purgar la grasa. En esta etapa, la medición de un husillo es ideal, ya que se puede instrumentar y manejar fácilmente. El objetivo principal, después de adquirir el movimiento del eje del husillo, es encontrar la relación entre esta información y la redondez de la pieza.

Hardware y Medida

FIGURA 1. Medidor de redondez Rondcom 54 (arriba). Salida de la medición de redondez (abajo), las tres mediciones se utilizan para calcular la redondez promedio de corte.

Dos parámetros clave que deben medirse son: redondez parcial, que es la salida, y movimiento del eje de error del husillo, que es la entrada. La medición de la redondez de la pieza es simple y directa. Se corta una muestra de latón C360 1 de diámetro en pulgadas a 1000rpm usando un diamante natural a una velocidad de alimentación de .0009ipr. La longitud del corte también es 1 pulgadas y se toman medidas de redondez 3: superior, medio e inferior. El promedio de estas tres mediciones es el valor de redondez de la parte utilizado y registrado en los archivos de inspección, ver figura 1.

El movimiento del eje del husillo se mide utilizando un analizador de husillo LION precision © del canal 3 cuando se monta en el banco de rodaje. En términos generales, este equipo es un conjunto de sondas de capacitancia que miden la distancia relativa desde un objetivo maestro cuando el husillo está girando. Todos estos datos son procesados ​​por el software analizador de husillo [5]. La capacidad y la cantidad de información que se puede obtener de este dispositivo son inmensas, sin embargo, nos concentraremos en los movimientos radiales del huso, ya que están relacionados con la redondez parcial. 

Los sensores capacitivos están asegurados por un nido de sonda, que está montado en un dispositivo que tiene tornillos de ajuste fino para la alineación; como se muestra en la figura 2. 

Para obtener la frecuencia natural de banco se realiza una prueba de impacto. Cuando el dispositivo está asegurado al banco de trabajo, la frecuencia natural de la configuración es 64 Hz, que es más alta que la frecuencia de prueba de rpm de 16Hz. Esto es clave para evitar cualquier resonancia de la estructura del dispositivo que pueda afectar las mediciones [6].

Además, se midió el ruido de seis configuraciones diferentes de husillo en el banco de carrera con el husillo parado. Se descubrió que el valor medio pico a pico del ruido es 0.07µm. Dado que este valor es un orden de magnitud menor que el que estamos buscando, las mediciones pueden considerarse confiables. El ruido contiene algunas frecuencias en el rango 60 Hz y sus armónicos, muy probablemente introducidos por los sistemas eléctricos circundantes. En caso de que los niveles de ruido inactivo estén en un rango inaceptable, se verifica la configuración de medición y se eliminan las fuentes de ruido detectadas.

FIGURA 2 Dispositivo de banco de rodaje utilizado para sostener el nido de la sonda. Tenga en cuenta las placas de acero de gran tamaño utilizadas.

Las señales de los sensores X e Y se registran a una frecuencia de muestreo de 5 kHz. Los datos de estos dos canales se trazan en un gráfico de dirección sensible giratoria por el software del analizador de husillo. Este gráfico se inspecciona visualmente para detectar anomalías o problemas importantes. Nuestro principal interés son los datos recopilados por la sonda del eje X, que es la dirección sensible. Para un torno, la dirección sensible es donde la herramienta es perpendicular al eje de rotación en el plano XY. Cualquier movimiento del husillo a lo largo de este eje tendrá un efecto directo sobre la redondez de la pieza mecanizada [1].

Existen varios enfoques para analizar el movimiento del eje de error, desde técnicas simples en el dominio del tiempo hasta filtrado avanzado en el dominio de la frecuencia [1], [6]. El movimiento de error síncrono (o promedio) se ha seleccionado como el principal parámetro de análisis, debido a su estabilidad y naturaleza de autofiltrado. El error síncrono es el componente del movimiento de error total que se produce en múltiplos enteros de la frecuencia de rotación [5]. Normalmente se obtiene promediando un cierto número de revoluciones y calculando la distancia entre los círculos inscritos mínimo y máximo. Desde el punto de vista físico, también tiene sentido utilizar el error síncrono, porque durante el proceso de corte la mayoría de los errores asíncronos serán parte del acabado superficial [1] y no de la forma.

FIGURA 3. Usando el mismo conjunto de datos de movimiento del eje, se calculó el error síncrono para diferentes números de vueltas, se observa fácilmente un comportamiento exponencial.

Para simplificar la medición del movimiento del eje, no se usa codificador; el ángulo de rotación se obtiene dejando una pequeña cantidad de excentricidad (10µm) en el objetivo maestro. Esto agrega un componente sinusoidal a los datos del sensor, que se elimina ajustando una onda sinusoidal de mínimos cuadrados a los datos. La onda sinusoidal ajustada también se utiliza para obtener el ángulo de rotación del huso.

El número de vueltas utilizadas para calcular el movimiento de error sincrónico no es un asunto trivial. El comportamiento entre la magnitud del error síncrono y el número de vueltas utilizadas es exponencial, como se muestra en la figura 3. Teniendo esto en cuenta, si no se utilizan suficientes giros, el error sincrónico será demasiado alto. Por otro lado, si se utilizan demasiados giros, la información del error síncrono se perderá debido al promedio. Se encontró un buen equilibrio al usar giros 10 para calcular el movimiento de error sincrónico, ya que es donde el exponencial comienza a aplanarse. Además, el valor predeterminado para el número de vueltas utilizado en los cálculos en el analizador de husillo LION © también es 10.

Modelo de redondez esperado

Nuestro objetivo principal es relacionar el movimiento del eje medido del eje en el banco de trabajo con el promedio de corte de redondez de la máquina. La salida del corte de redondez de la máquina depende de varios factores, algunos están directamente relacionados con el husillo y otros dependen del ensamblaje de la máquina. Esto es importante de entender porque hay una fuente de variación que no está relacionada con el movimiento medido del eje del huso. Para minimizar el efecto de esta variación, los cortes de redondez se realizan después de que la máquina se ha equilibrado y alineado correctamente. Un husillo se considera inaceptable si el corte de redondez promedio está por encima de 0.50µm.

Para obtener un valor para la redondez esperada, se calculó el error síncrono del eje del husillo dividiendo cada revolución en intervalos de grados 2, promediando el movimiento para giros 10 y tomando la diferencia entre los promedios máximos y mínimos. Este cálculo se considera como la redondez media; sin embargo, este valor no es una representación completa del proceso. Con esto en mente, los valores que definen el máximo y el mínimo sobre los giros 10 se utilizan para obtener la desviación estándar. Con las medias y las desviaciones estándar, la distribución t de Student [7] se usa para calcular el intervalo de confianza superior para el máximo y el inferior para el mínimo. La diferencia entre estos intervalos es nuestra redondez esperada. La figura 4 muestra los pasos utilizados para calcular la redondez esperada.

Se seleccionó un nivel de confianza de 99% ya que el objetivo principal es evitar la instalación de un husillo defectuoso en una máquina. Cuando esto sucede, se desperdicia una gran cantidad de tiempo y dinero.

resultados de la prueba

FIGURA 5. Redondez esperada y redondez real de la pieza de corte obtenida del promedio de tres mediciones.

El enfoque propuesto se aplicó en los husillos de producción 7, midiendo el movimiento del eje en el banco de trabajo calculando la redondez esperada y luego midiendo la redondez de los cortes de prueba. Estos resultados se muestran en la figura 5.

Se puede observar que seis de los siete valores esperados fueron precisos para predecir si el husillo pasaría o no el corte de redondez. 

Spindle 3, donde la redondez esperada indica que el husillo no pasaría, muestra que el método funciona como a prueba de fallas. Dado que calificar un huso malo como bueno es mucho más costoso que el escenario opuesto. Cuando la predicción es un valor de redondez más alto que el máximo permitido (0.50µm), el husillo se verifica nuevamente para determinar si existe una falla.

Los conclusiones

Cuando se utiliza el movimiento del eje de error del husillo, se puede calcular una redondez esperada con un nivel de confianza del 99%. Esto proporciona una valiosa herramienta para la fabricación, evitando el montaje de husillos que no pasarán el corte de redondez. Se entiende que cierta variabilidad inherente proviene del ensamblaje de la máquina y no solo del movimiento del eje del husillo. Los ejemplos de factores de ensamblaje de la máquina que afectan la redondez incluyen: balanceo, vibración del eje, rigidez de la máquina, material de la pieza, material de la herramienta, parámetros de corte, vibración del equipo auxiliar, etc. Teniendo esto en cuenta, otro beneficio del cálculo de redondez esperado propuesto es que puede ayudar para señalar si el problema está en la máquina o en el conjunto del eje. 

Agradecimientos

Los autores desean agradecer todo el apoyo de Terry S. George C. y Matt B. durante el desarrollo de esta metodología. Además, agradecemos a Hardinge Inc.   

Referencias

  1. B. Bryan, P. Vanherek, "Unificación de la terminología sobre el movimiento de error de los ejes de rotación" Junio ​​20, 1975, CIRP
  2. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin, "Un sistema de medición para la evaluación de la precisión de rotación del husillo" Septiembre 18, 1972 13th Conferencia internacional de diseño e investigación de máquinas herramienta.
  3. Schlesinger, "Pruebas de máquinas herramienta", 1966 7th ed, Machinery Publishing Co. Ltd.
  4. Kushnir, "Centro de torneado de súper precisión: máquina herramienta de herramientas múltiples de alta precisión, torneado duro" Octubre 20, 2013 ASPE
  5. Lion Precision, "Manual de instrucciones Advance Spindle Error Analyzer v7", 2003
  6. R. March, "Metrología de husillo de precisión" 2010, 2nd ed, Publicaciones DEStech
  7. C. Montgomery, "Introducción al control estadístico de calidad", 2009 6th ed, John Wiley & Sons

Artículo - Papel Hardinge