Test delle prestazioni di qualità per mandrini Super Precision

Introduzione

Uno dei componenti chiave di una macchina utensile è il mandrino; la macchina potrebbe avere una struttura e delle guide perfette, ma se l'asse del mandrino si muove, il pezzo da lavorare presenterà errori di forma geometrica [1]. Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi metodi per caratterizzare il movimento dell'asse del mandrino da prove di run-out grezzo [23], a diversi metodi di contatto e senza contatto utilizzando LVDT, sonde induttive e sonde di capacità [5]. Oggi il metodo più accettato utilizza un target master e sonde di capacità strumentate e collegate a un personal computer dove vengono effettuati tutti i calcoli.

Questa moderna strumentazione di misurazione del movimento degli assi è in grado di offrire una risoluzione e una precisione inferiori al micron. Questa apparecchiatura trova principalmente il suo posto nella ricerca e produzione di mandrini e cuscinetti idrostatici, poiché le macchine in cui vengono utilizzate richiedono componenti ad alta precisione. Sebbene ciò possa essere vero, la moderna misurazione del movimento dell'asse del mandrino è anche una risorsa preziosa per i produttori di macchine utensili Super Precision® [4]. Le informazioni acquisite da queste misurazioni possono aiutare a trovare i difetti del mandrino e le loro fonti. Può anche identificare se alcune modifiche al processo di assemblaggio hanno un impatto positivo o negativo. Nei paragrafi seguenti verrà mostrato come la misurazione del movimento dell'asse del mandrino offre vantaggi preziosi al produttore del mandrino Super Precision®.

Scopo della misurazione del movimento dell'asse del mandrino

La rotondità del pezzo è determinata da un taglio di prova eseguito sulla macchina completata. A questo punto il mandrino è stato assemblato sulla macchina, dove sono stati installati numerosi coperchi e sistemi di supporto. Se il mandrino non soddisfa le specifiche richieste, verrà rifiutato e verranno sprecate diverse ore di assemblaggio. Ciò crea la necessità di un test delle prestazioni di qualità del mandrino. Per un centro di tornitura Super Precision® la rotondità deve essere inferiore a 0.50 µm (20 µin). Il processo di fabbricazione per raggiungere questa rotondità è stato stabilito e per la maggior parte è stabile.

Tuttavia, se viene rilevato un mandrino non conforme prima che possa essere installato sulla macchina, si evitano inutili sprechi. La misurazione della rotondità del mandrino richiede una fonte di potenza motrice, un dispositivo di trattenimento del lavoro per la parte campione e un sistema di guida per lo strumento. Fornire tutti questi elementi per un mandrino che non è installato sulla macchina utensile è poco pratico, ingombrante e può introdurre ulteriori errori nella misurazione della rotondità. Tenendo conto di questi fattori, è stato stabilito che la caratteristica più fattibile da misurare quando il mandrino è esterno alla macchina utensile è il movimento dell'asse del mandrino; che successivamente può essere correlato alla rotondità del mandrino.

I mandrini misurati vengono utilizzati in un centro di tornitura di altissima precisione. Il mandrino è azionato da una trasmissione a cinghia trapezoidale multipla quando installato sulla macchina. Durante il processo di produzione il mandrino richiede una procedura di rodaggio per eliminare il grasso. In questa fase eseguire una misura del mandrino è l'ideale in quanto può essere facilmente strumentato e guidato. L'obiettivo principale, dopo l'acquisizione del movimento dell'asse del mandrino, è quello di trovare la relazione tra queste informazioni e la rotondità della parte.

Hardware e misure

Macchina di misura della rotondità Rondcom

FIGURA 1. Macchina di misurazione della rotondità Rondcom 54 (in alto). Uscita della misurazione della rotondità (in basso), le tre misurazioni vengono utilizzate per calcolare la rotondità media del taglio.

Due parametri chiave che devono essere misurati sono: rotondità della parte, che è l'uscita, e movimento dell'asse di errore del mandrino, che è l'ingresso. La misurazione della rotondità del pezzo è semplice e diretta. Un campione in ottone C360 da 1 pollice di diametro viene tagliato a 1000 rpm usando un diamante naturale con una velocità di avanzamento di .0009ipr. La lunghezza del taglio è anche di 1 pollice e vengono prese 3 misure di rotondità: in alto al centro e in basso. La media di queste tre misurazioni è il valore di rotondità della parte utilizzato e registrato nei file di ispezione, vedere la figura 1.

Il movimento dell'asse del mandrino viene misurato utilizzando un analizzatore del mandrino LION di precisione © a 3 canali quando montato sul banco di rodaggio. In termini generali, questa apparecchiatura è un insieme di sonde di capacità che misurano la distanza relativa da un obiettivo principale quando il mandrino ruota. Tutti questi dati vengono elaborati dal software dell'analizzatore mandrino [5]. La capacità e la quantità di informazioni che possono essere ottenute da questo dispositivo sono immense, tuttavia, ci concentreremo sui movimenti radiali del mandrino poiché sono correlati alla rotondità della parte. 

I sensori capacitivi sono fissati da un nido di sonda, che è montato su un dispositivo che ha viti di regolazione fine per l'allineamento; come mostrato in figura 2. 

Per ottenere la frequenza naturale del banco viene eseguito un bump test. Quando l'apparecchiatura è fissata al banco di lavoro, la frequenza naturale del setup è 64 Hz, che è superiore alla frequenza di test rpm di 16Hz. Questa è la chiave per evitare qualsiasi risonanza della struttura del dispositivo che potrebbe potenzialmente influenzare le misurazioni [6].

Inoltre, è stato misurato il rumore di sei diverse configurazioni del mandrino nel banco di corsa con il mandrino fermo. È stato riscontrato che il valore medio da picco a picco del rumore è 0.07 µm. Poiché questo valore è un ordine di grandezza inferiore a quello che stiamo cercando, le misurazioni possono essere considerate affidabili. Il rumore contiene alcune frequenze sulla gamma 60 Hz e le sue armoniche, molto probabilmente introdotte dai sistemi elettrici circostanti. Nel caso in cui i livelli di rumore inattivo si trovino su un intervallo inaccettabile, l'impostazione della misurazione viene verificata e le fonti di rumore rilevate vengono eliminate.

Run Bench per tenere il nido della sonda

FIGURA 2 Dispositivo da banco run-in utilizzato per contenere il nido della sonda. Nota le piastre d'acciaio sovradimensionate utilizzate.

I segnali dei sensori X e Y vengono registrati a una frequenza di campionamento di 5 kHz. I dati di questi due canali vengono tracciati su un grafico di direzione sensibile alla rotazione dal software dell'analizzatore del mandrino. Questo grafico viene ispezionato visivamente per rilevare eventuali anomalie o problemi principali. Il nostro interesse principale sono i dati raccolti dalla sonda dell'asse X, che è la direzione sensibile. Per un tornio la direzione sensibile è quella in cui l'utensile è perpendicolare all'asse di rotazione sul piano XY. Qualsiasi movimento del mandrino lungo questo asse avrà un effetto diretto sulla rotondità del pezzo lavorato [1].

Esistono diversi approcci per analizzare il movimento dell'asse di errore, dalle semplici tecniche nel dominio del tempo al filtraggio avanzato nel dominio della frequenza [1], [6]. Il movimento in errore sincrono (o medio) è stato selezionato come parametro di analisi principale, per la sua stabilità e natura autofiltrante. L'errore sincrono è la componente del movimento di errore totale che si verifica a multipli interi della frequenza di rotazione [5]. Si ottiene tipicamente facendo la media di un certo numero di giri e calcolando la distanza tra i cerchi inscritti minimo e massimo. Dal punto di vista fisico ha senso utilizzare anche l'errore sincrono, perché durante il processo di taglio la maggior parte degli errori asincroni farà parte della finitura superficiale [1] e non della forma.

Entità dell'errore sincrono

FIGURA 3. Utilizzando lo stesso set di dati di movimento dell'asse è stato calcolato l'errore sincrono per un diverso numero di giri, si osserva prontamente un comportamento esponenziale.

Per semplificare la misurazione del movimento dell'asse, non viene utilizzato alcun encoder; l'angolo di rotazione si ottiene lasciando una piccola quantità di eccentricità (10 µm) sul bersaglio principale. Ciò aggiunge un componente sinusoidale ai dati del sensore, che viene rimosso adattando un'onda sinusoidale dei minimi quadrati ai dati. L'onda sinusoidale montata viene anche utilizzata per ottenere l'angolo di rotazione del mandrino.

Il numero di giri utilizzati per calcolare il movimento dell'errore sincrono non è una cosa da poco. Il comportamento tra l'entità dell'errore sincrono e il numero di spire utilizzate è esponenziale, come mostrato nella figura 3. Tenendo conto di ciò, se non si utilizzano abbastanza spire, l'errore sincrono sarà troppo elevato. D'altra parte, se vengono utilizzate troppe curve, le informazioni dell'errore sincrono andranno perse a causa della media. È stato trovato un buon equilibrio quando si utilizzano 10 turni per calcolare il movimento di errore sincrono, dal momento che l'esponenziale inizia ad appiattirsi. Inoltre, anche il valore predefinito per il numero di spire utilizzato nei calcoli sull'analizzatore di mandrini LION © è 10.

Modello di rotondità atteso

Il nostro obiettivo principale è quello di mettere in relazione il movimento dell'asse misurato del mandrino sul banco di lavoro con la media della rotondità della macchina. L'output del taglio di rotondità della macchina dipende da diversi fattori, alcuni sono direttamente correlati al mandrino stesso e altri dipendono dal gruppo della macchina. Questo è importante da capire perché esiste una fonte di variazione che non è correlata al movimento dell'asse del mandrino misurato. Per ridurre al minimo l'effetto di questa variazione, i tagli di rotondità vengono eseguiti dopo che la macchina è stata correttamente bilanciata e allineata. Un mandrino è considerato inaccettabile se il taglio di rotondità media è superiore a 0.50 µm.

Per ottenere un valore per la rotondità attesa, l'errore sincrono dell'asse del mandrino è stato calcolato dividendo ogni giro in intervalli di 2 gradi, facendo una media del movimento per 10 giri e prendendo la differenza tra la media massima e minima. Questo calcolo è considerato come rotondità media; tuttavia, questo valore non è una rappresentazione completa del processo. Tenendo presente questo, i valori che definiscono il massimo e il minimo su 10 giri vengono utilizzati per ottenere la deviazione standard. Con i mezzi e le deviazioni standard la distribuzione t di Student [7] viene utilizzata per calcolare l'intervallo superiore di confidenza per il massimo e il minimo per il minimo. La differenza tra questi intervalli è la nostra rotondità attesa. La Figura 4 mostra i passaggi utilizzati per calcolare la rotondità prevista.

È stato selezionato un livello di confidenza del 99% poiché l'obiettivo principale è evitare l'installazione di un mandrino difettoso su una macchina. Quando ciò accade, si spreca una grande quantità di tempo e denaro.

Modello di rotondità

Risultati del test

Rotondità prevista vs media

FIGURA 5. Rotondità attesa e rotondità della parte di taglio effettiva ottenuta dalla media di tre misurazioni.

L'approccio proposto è stato applicato su 7 mandrini di produzione, misurando il movimento dell'asse sul banco di corsa calcolando la rotondità prevista e quindi misurando la rotondità dai tagli di prova. Questi risultati sono mostrati in figura 5.

Si può osservare che sei dei sette valori previsti erano precisi nel prevedere se il mandrino avrebbe superato o fallito il taglio di rotondità. 

Il mandrino 3, dove la rotondità prevista indicava che il mandrino non sarebbe passato, mostra che il metodo funziona in modo sicuro. Dal momento che qualificare un mandrino cattivo come buono è molto più costoso dello scenario opposto. Quando la previsione è un valore di rotondità più elevato del massimo consentito (0.50 micron), il mandrino viene ulteriormente controllato per determinare se esiste un errore.

Conclusioni

Quando si utilizza il movimento dell'asse con errore del mandrino, è possibile calcolare una rotondità prevista con un livello di confidenza del 99%. Ciò fornisce uno strumento prezioso per la lavorazione, evitando l'assemblaggio di mandrini che non supereranno il taglio di rotondità. Resta inteso che una certa variabilità intrinseca deriva dall'assemblaggio della macchina e non solo dal movimento dell'asse del mandrino. Esempi di fattori di assemblaggio della macchina che influenzano la rotondità includono: bilanciamento, vibrazione dell'asse, rigidità della macchina, materiale del pezzo, materiale dell'utensile, parametri di taglio, vibrazione dell'attrezzatura ausiliaria, ecc. per individuare se il problema è sulla macchina o sul gruppo mandrino. 

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare tutto il supporto di Terry S. George C. e Matt B. durante lo sviluppo di questa metodologia. Inoltre vorremmo riconoscere Hardinge Inc.   

Riferimenti

  1. B. Bryan, P. Vanherek, "Unificazione della terminologia relativa all'errore di movimento degli assi di rotazione", 20 giugno 1975, CIRP
  2. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin, "Un sistema di misurazione per la valutazione dell'accuratezza della rotazione del mandrino" 18 settembre 1972 13th Conferenza internazionale sulla progettazione e la ricerca di macchine utensili.
  3. Schlesinger, "Test delle macchine utensili", 1966 7th ed, Machinery Publishing Co.Ltd.
  4. Kushnir, "Centro di tornitura ad altissima precisione: alta precisione, tornitura a fondo duro, macchina utensile multi-utensile" 20 ottobre 2013 ASPE
  5. Lion Precision, "Manuale di istruzioni Advance Spindle Error Analyzer v7", 2003
  6. R. March, "Metrologia del mandrino di precisione" 2010, 2nd ed, Pubblicazioni DEStech
  7. C. Montgomery, "Introduzione al controllo statistico della qualità", 2009 6th ed, John Wiley & Sons

Articolo - Carta Hardinge