Teste de desempenho de qualidade para eixo de super precisão

Introdução

Um dos principais componentes de uma máquina-ferramenta é o fuso; a máquina poderia ter estrutura e guias perfeitas, mas se o eixo do fuso se mover, a peça apresentará erros de forma geométrica [1]. Ao longo dos anos, vários métodos foram desenvolvidos para caracterizar o movimento do eixo do fuso, desde testes brutos de run-out [23], até vários métodos de contato e sem contato usando LVDT's, sondas indutivas e sondas de capacitância [5]. Hoje, o método mais aceito usa um alvo mestre e sondas de capacitância instrumentadas e conectadas a um computador pessoal onde todos os cálculos são feitos.

Esta moderna instrumentação de medição de movimento de eixo é capaz de resolução e precisão submicrônicas. Esse equipamento encontra-se principalmente na pesquisa e fabricação de rolamentos de eixo e fuso hidrostático, uma vez que as máquinas onde são usados ​​requerem componentes de ultraprecisão. Embora isso possa ser verdade, a medição moderna do movimento do eixo do eixo-árvore também é um recurso valioso para os fabricantes de máquinas-ferramenta Super Precision® [4]. As informações adquiridas com essas medições podem ajudar a encontrar defeitos no fuso e suas fontes. Também pode identificar se determinadas alterações no processo de montagem têm um impacto positivo ou negativo. Nos parágrafos a seguir, será mostrado como a medição do movimento do eixo do fuso oferece vantagens valiosas para o fabricante do fuso Super Precision®.

Objetivo do movimento do eixo de medição

A redondeza da peça é determinada por um corte de teste realizado na máquina concluída. Nesse ponto, o eixo foi montado na máquina, onde várias coberturas e sistemas de suporte foram instalados. Se o eixo-árvore não atender à especificação exigida, ele será rejeitado e várias horas de tempo de montagem serão desperdiçadas. Isso cria a necessidade de um teste de desempenho da qualidade do eixo. Para um centro de torneamento Super Precision®, a redondeza deve estar abaixo de 0.50 µm (20 µin). O processo de fabricação para atingir essa redondeza foi estabelecido e, na maior parte, é estável.

No entanto, se um eixo não conforme for detectado antes de poder ser instalado na máquina, evita-se desperdício desnecessário. Medir a redondeza do eixo exige uma fonte de força motriz, um dispositivo de retenção de trabalho para a peça de amostra e um sistema de guia para a ferramenta. O fornecimento de todos esses elementos para um eixo-árvore que não está instalado na máquina-ferramenta é impraticável, complicado e pode introduzir erros adicionais na medição da circularidade. Levando em consideração esses fatores, determinou-se que a característica mais viável para medir quando o eixo-árvore está fora da máquina-ferramenta é o movimento do eixo do eixo-árvore; que posteriormente podem ser correlacionados com a redondeza do fuso.

Os eixos que estão sendo medidos são usados ​​em um centro de torneamento de superprecisão. O eixo é acionado por uma transmissão de correia em V de vários fios quando instalado na máquina. Durante o processo de produção, o eixo requer um procedimento de amaciamento para purgar a graxa. Nesta fase, a medição do fuso é ideal, pois pode ser facilmente instrumentada e acionada. O objetivo principal, após a aquisição do movimento do eixo-árvore, é encontrar a relação entre essas informações e a redondeza da peça.

Hardware e Medição

Máquina de medição de circularidade Rondcom

FIGURA 1. Medidor de circularidade Rondcom 54 (em cima). Saída da medição da circularidade (inferior), as três medidas são usadas para calcular a circularidade média do corte.

Dois parâmetros-chave que precisam ser medidos são: redondeza da peça, que é a saída, e movimento do eixo de erro do fuso, que é a entrada. A medição da redondeza da peça é simples e direta. Uma amostra de latão C360 de 1 polegada de diâmetro é cortada a 1000rpm usando um diamante natural a uma taxa de alimentação de 0009ipr. O comprimento do corte também é de 1 polegada e são realizadas três medidas de redondeza: superior central e inferior. A média dessas três medições é o valor da redondeza da peça usada e registrada nos arquivos de inspeção, veja a figura 3.

O movimento do eixo do fuso é medido usando um analisador de fuso LION de precisão de 3 canais © quando montado na bancada de amaciamento. Em termos gerais, este equipamento é um conjunto de sondas de capacitância que medem a distância relativa de um alvo principal quando o eixo está em rotação. Todos esses dados são processados ​​pelo software do analisador de eixos [5]. A capacidade e a quantidade de informações que podem ser obtidas deste dispositivo são imensas; no entanto, vamos nos concentrar nos movimentos radiais do eixo, uma vez que estão relacionados à redondeza da peça. 

Os sensores capacitivos são fixados por um ninho de sonda, montado em um dispositivo que possui parafusos de ajuste finos para alinhamento; como mostrado na figura 2. 

Para obter a frequência natural do banco, é realizado um teste de resposta. Quando o equipamento é fixado à bancada de corrida, a frequência natural da instalação é de 64 Hz, que é maior que a frequência de rpm de teste de 16 Hz. Essa é a chave para evitar qualquer ressonância da estrutura do equipamento que possa afetar as medidas [6].

Além disso, foi medido o ruído de seis configurações diferentes de eixos na bancada de corrida com o eixo parado. Verificou-se que o valor médio de pico a pico do ruído é de 0.07 µm. Como esse valor é uma ordem de magnitude menor do que o que estamos procurando, as medições podem ser consideradas confiáveis. O ruído contém algumas frequências na faixa de 60 Hz e seus harmônicos, provavelmente introduzidos pelos sistemas elétricos ao redor. Caso os níveis de ruído ocioso estejam na faixa inaceitável, a configuração da medição é verificada e as fontes de ruído detectadas são eliminadas.

Execute o banco para segurar o ninho da sonda

FIGURA 2 Dispositivo de bancada de rodagem usado para segurar o encaixe da sonda. Observe as placas de aço de grandes dimensões usadas.

Os sinais dos sensores X e Y são registrados a uma frequência de amostragem de 5 kHz. Os dados desses dois canais são plotados em um gráfico de direção sensível de rotação pelo software do analisador do fuso. Este gráfico é inspecionado visualmente para detectar quaisquer anomalias ou problemas importantes. Nosso principal interesse são os dados coletados pela sonda do eixo X, que é a direção sensível. Para um torno, a direção sensível é onde a ferramenta é perpendicular ao eixo de rotação no plano XY. Qualquer movimento do fuso ao longo deste eixo terá um efeito direto na circularidade da peça usinada [1].

Existem várias abordagens para analisar o movimento do eixo do erro, desde técnicas simples no domínio do tempo até filtragem avançada no domínio da frequência [1], [6]. O movimento de erro síncrono (ou médio) foi selecionado como o principal parâmetro de análise, devido à sua estabilidade e natureza de autofiltração. O erro síncrono é o componente do movimento total do erro que ocorre em múltiplos inteiros da frequência de rotação [5]. É normalmente obtido calculando a média de um certo número de revoluções e calculando a distância entre os círculos inscritos mínimo e máximo. Do ponto de vista físico também faz sentido utilizar o erro síncrono, pois durante o processo de corte a maioria dos erros assíncronos farão parte do acabamento da superfície [1] e não da forma.

Magnitude de erro síncrono

FIGURA 3. Usando o mesmo conjunto de dados de movimento do eixo, o erro síncrono foi calculado para diferentes números de voltas, um comportamento exponencial é facilmente observado.

Para simplificar a medição do movimento do eixo, nenhum codificador é usado; o ângulo de rotação é obtido deixando uma pequena quantidade de excentricidade (10 µm) no alvo principal. Isso adiciona um componente sinusoidal aos dados do sensor, que é removido ajustando uma onda senoidal de mínimos quadrados aos dados. A onda senoidal montada também é usada para obter o ângulo de rotação do eixo.

O número de voltas usadas para calcular o movimento do erro síncrono não é uma questão trivial. O comportamento entre a magnitude do erro síncrono e o número de voltas usadas é exponencial, como mostra a figura 3. Levando isso em consideração, se não forem usadas voltas suficientes, o erro síncrono será muito alto. Por outro lado, se forem usadas muitas voltas, as informações do erro síncrono serão perdidas devido à média. Um bom equilíbrio foi encontrado ao usar 10 voltas para calcular o movimento de erro síncrono, pois é onde o exponencial começa a se achatar. Além disso, o valor padrão para o número de voltas usado nos cálculos no analisador de fuso LION © também é 10.

Modelo de arredondamento esperado

Nosso principal objetivo é relacionar o movimento do eixo medido do fuso na bancada de trabalho com a média de corte da circularidade da máquina. A saída do corte da circularidade da máquina depende de vários fatores, alguns estão diretamente relacionados ao próprio eixo-árvore e outros dependem do conjunto da máquina. Isso é importante para entender porque existe uma fonte de variação que não está relacionada com o movimento medido no eixo do fuso. Para minimizar o efeito dessa variação, os cortes de redondeza são feitos depois que a máquina está devidamente equilibrada e alinhada. Um fuso é considerado inaceitável se o corte médio da redondeza for superior a 0.50 µm.

Para obter um valor para a redondeza esperada, o erro síncrono do eixo-árvore foi calculado dividindo cada rotação em intervalos de 2 graus, calculando a média do movimento por 10 voltas e calculando a diferença entre as médias máxima e mínima. Este cálculo é considerado como a redondeza média; no entanto, esse valor não é uma representação completa do processo. Com isso em mente, os valores que definem o máximo e o mínimo nas 10 voltas são usados ​​para obter o desvio padrão. Com as médias e os desvios padrão, a distribuição t de Student [7] é usada para calcular o intervalo superior de confiança para o máximo e o menor para o mínimo. A diferença entre esses intervalos é a nossa redondeza esperada. A Figura 4 mostra as etapas usadas para calcular a redondeza esperada.

Um nível de confiança de 99% foi selecionado, pois o objetivo principal é evitar a instalação de um eixo defeituoso em uma máquina. Quando isso acontece, uma grande quantidade de tempo e dinheiro é desperdiçada.

Modelo de redondeza

resultados do teste

Circularidade esperada vs média

FIGURA 5. Redondeza esperada e redondeza real da peça cortada, obtida a partir da média de três medições.

A abordagem proposta foi aplicada em 7 eixos de produção, medindo o movimento do eixo na bancada de corrida, calculando a circularidade esperada e depois medindo a circularidade dos cortes de teste. Esses resultados são mostrados na figura 5.

Pode-se observar que seis dos sete valores esperados foram precisos ao prever se o eixo passaria ou falharia no corte da circularidade. 

O fuso 3, em que a redondeza esperada indicava que o fuso não passaria, mostra que o método funciona como à prova de falhas. Como qualificar um eixo-árvore como bom é muito mais caro que o cenário oposto. Quando a previsão é um valor de circularidade mais alto do que o máximo permitido (0.50 µm), o fuso é verificado novamente para determinar se existe uma falha.

Conclusões

Ao usar o movimento do eixo de erro do fuso, uma circularidade esperada pode ser calculada com um nível de confiança de 99%. Isso fornece uma ferramenta valiosa para a fabricação, evitando a montagem de fusos que não passarão no corte de circularidade. Entende-se que alguma variabilidade inerente vem da montagem da máquina e não apenas do movimento do eixo do fuso. Exemplos de fatores de montagem da máquina que afetam a circularidade incluem: balanceamento, vibração do eixo, rigidez da máquina, material da peça, material da ferramenta, parâmetros de corte, vibração do equipamento auxiliar, etc. Levando isso em consideração, outro benefício do cálculo da circularidade esperada proposta é que pode ajudar para apontar se o problema está na máquina ou no conjunto do eixo. 

Agradecimentos

Os autores desejam agradecer a todo o apoio de Terry S. George C. e Matt B. durante o desenvolvimento desta metodologia. Além disso, gostamos de agradecer à Hardinge Inc.   

Refereneces

  1. B. Bryan, P. Vanherek, “Unificação da terminologia referente ao movimento de erro dos eixos de rotação” 20 de junho de 1975, CIRP
  2. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin, “Um sistema de medição para avaliar a precisão da rotação do fuso” 18 de setembro de 1972 13th Conferência internacional de projeto e pesquisa de máquinas-ferramenta.
  3. Schlesinger, “Teste de Máquinas-Ferramenta”, 1966 7th ed, Machinery Publishing Co. Ltd.
  4. Kushnir, “Centro de torneamento com superprecisão: alta precisão, torneamento duro, máquinas-ferramenta para múltiplas ferramentas” 20 de outubro de 2013 ASPE
  5. Lion Precision, “Manual de instruções Advance Spindle Error Analyzer v7”, 2003
  6. R. March, “Metrologia do fuso de precisão” 2010, 2nd Publicações DEStech
  7. C. Montgomery, “Introdução ao controle estatístico da qualidade”, 2009 6th ed, John Wiley & Sons

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