Análisis profundo del nivel de precisión y los requisitos de exactitud de mecanizado para piezas clave de máquinas herramienta CNC
En la fabricación moderna, las máquinas herramienta CNC se han convertido en el equipo clave para la producción de diversas piezas de precisión gracias a su alta precisión, eficiencia y alto grado de automatización. El nivel de precisión de las máquinas herramienta CNC determina directamente la calidad y la complejidad de las piezas que pueden procesar, y los requisitos de precisión de mecanizado para las piezas clave de las piezas típicas son decisivos en la selección de máquinas herramienta CNC.
Las máquinas herramienta CNC se pueden clasificar en varios tipos según su uso, incluyendo simples, totalmente funcionales, de ultraprecisión, etc. Cada tipo puede alcanzar diferentes niveles de precisión. Las máquinas herramienta CNC simples aún se utilizan en algunos tornos y fresadoras, con una resolución mínima de movimiento de 0,01 mm y una precisión de movimiento y mecanizado generalmente superior a (0,03-0,05) mm. Este tipo de máquina herramienta es adecuada para algunas tareas de mecanizado con requisitos de precisión relativamente bajos.
Las máquinas herramienta CNC de ultraprecisión se utilizan principalmente en el mecanizado especial, y su precisión puede alcanzar niveles sorprendentes por debajo de 0,001 mm. Estas máquinas herramienta de ultraalta precisión pueden fabricar piezas extremadamente precisas, cumpliendo con los estrictos requisitos de industrias de alta precisión y vanguardia, como la aeroespacial y la de equipos médicos.
Además de la clasificación por propósito, las máquinas herramienta CNC también se pueden clasificar en ordinarias y de precisión según su precisión. Al probar la precisión de las máquinas herramienta CNC, se suelen considerar entre 20 y 30 elementos. Sin embargo, los elementos más representativos y característicos incluyen principalmente la precisión de posicionamiento de un solo eje, la precisión de posicionamiento repetido de un solo eje y la redondez de la pieza de prueba producida por dos o más ejes de mecanizado enlazados.
La precisión de posicionamiento de un solo eje se refiere al margen de error al posicionar cualquier punto dentro del recorrido del eje y es un indicador clave que refleja directamente la capacidad de precisión de mecanizado de la máquina herramienta. Actualmente, existen ciertas diferencias en las regulaciones, definiciones, métodos de medición y métodos de procesamiento de datos de este indicador entre países del mundo. En la introducción de datos de muestra para diversos tipos de máquinas herramienta CNC, se incluyen las normas comunes: la Norma Americana (NAS), las normas recomendadas por la Asociación Americana de Fabricantes de Máquinas Herramienta (AMM), la Norma Alemana (VDI), la Norma Japonesa (JIS), la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Norma Nacional de China (GB).
Cabe señalar que, entre estos estándares, el estándar japonés es el que especifica el más bajo. El método de medición se basa en un único conjunto de datos estables, y luego el valor de error se reduce a la mitad tomando un valor ±. Por lo tanto, la precisión de posicionamiento medida con los métodos de medición estándar japoneses a menudo difiere en más del doble en comparación con los resultados medidos con otros estándares. Sin embargo, otros estándares, aunque difieren en el procesamiento de datos, todos siguen la ley de las estadísticas de error para analizar la medición y la precisión de posicionamiento. Esto significa que para un cierto error de punto de posicionamiento en un recorrido de eje controlable de una máquina herramienta CNC, debe reflejar la situación de error de miles de veces de posicionamiento durante el uso a largo plazo de la máquina herramienta. Sin embargo, en la medición real, debido a las limitaciones en las condiciones, solo se puede realizar un número limitado de mediciones (generalmente de 5 a 7 veces).
La precisión de posicionamiento repetido de un solo eje refleja la precisión de cada componente móvil del eje, especialmente para reflejar la estabilidad de posicionamiento del eje en cualquier punto de su recorrido, lo cual es de gran importancia. Es un indicador fundamental para medir la estabilidad y fiabilidad del funcionamiento del eje. En los sistemas CNC modernos, el software suele contar con funciones avanzadas de compensación de errores, que permiten compensar de forma estable los errores del sistema en cada eslabón de la cadena de transmisión de alimentación.
Por ejemplo, la holgura, la deformación elástica y la rigidez de contacto de cada eslabón de la cadena de transmisión mostrarán diferentes movimientos instantáneos según factores como la carga del banco de trabajo, la distancia de movimiento y la velocidad de posicionamiento. En algunos servosistemas de alimentación de bucle abierto y semicerrado, los componentes de accionamiento mecánico, tras su medición, se verán afectados por diversos factores accidentales, lo que generará errores aleatorios significativos. Por ejemplo, la elongación térmica de los husillos de bolas puede provocar una desviación en la posición real del banco de trabajo.
Para evaluar exhaustivamente la precisión de las máquinas herramienta CNC, además de los indicadores de precisión de un solo eje mencionados anteriormente, también es crucial evaluar la precisión del mecanizado multieje con varillaje. La precisión del fresado de superficies cilíndricas o de ranuras espirales espaciales (roscas) permite evaluar exhaustivamente las características de seguimiento del servomotor de los ejes CNC (de dos o tres ejes) y la función de interpolación de los sistemas CNC en máquinas herramienta. El método habitual de evaluación consiste en medir la redondez de la superficie cilíndrica mecanizada.
En el corte de prueba de las máquinas herramienta CNC, el fresado con el método de mecanizado de cuatro lados con escuadra oblicua es también un método eficaz de evaluación, que permite evaluar la precisión de dos ejes controlables en un movimiento de interpolación lineal. Durante este corte de prueba, la fresa de extremo utilizada para el mecanizado de precisión se instala en el husillo de la máquina herramienta y se fresa la muestra circular colocada en el banco de trabajo. Para máquinas herramienta pequeñas y medianas, las muestras circulares se seleccionan generalmente con un rango de precios de ¥200 a ¥300. Tras finalizar el fresado, coloque la muestra en un comprobador de redondez y mida la redondez de su superficie mecanizada.
La observación y el análisis de los resultados del mecanizado permiten obtener información importante sobre la precisión y el rendimiento de las máquinas herramienta. Si se observan patrones de vibración evidentes en la fresadora sobre la superficie cilíndrica fresada, esto indica una velocidad de interpolación inestable. Si se observa un error elíptico significativo en la redondez del fresado, esto indica que las ganancias de los dos sistemas de ejes controlables para el movimiento de interpolación no coinciden. En una superficie circular, si se observan marcas de tope en los puntos donde cada eje controlable cambia de dirección (es decir, en un movimiento de corte continuo, si el avance se detiene en una posición determinada, la herramienta formará una pequeña sección de marcas de corte de metal en la superficie de mecanizado), esto indica que las holguras de avance y retroceso del eje no se han ajustado correctamente.
La determinación de la precisión de las máquinas herramienta CNC es un proceso complejo y difícil, y algunas incluso requieren una evaluación precisa una vez finalizado el mecanizado. Esto se debe a que la precisión de las máquinas herramienta se ve influenciada por una combinación de diversos factores, como el diseño estructural de la máquina herramienta, la precisión de fabricación de los componentes, la calidad del ensamblaje, el rendimiento de los sistemas de control y las condiciones ambientales durante el proceso de mecanizado.
En cuanto al diseño estructural de las máquinas herramienta, una disposición estructural razonable y un diseño rígido pueden reducir eficazmente la vibración y la deformación durante el proceso de mecanizado, mejorando así la precisión. Por ejemplo, el uso de materiales de bancada de alta resistencia y estructuras optimizadas de columnas y travesaños, entre otras cosas, puede contribuir a mejorar la estabilidad general de la máquina herramienta.
La precisión de fabricación de los componentes también desempeña un papel fundamental en la precisión de las máquinas herramienta. La precisión de componentes clave, como husillos de bolas, guías lineales y husillos, determina directamente la precisión de movimiento de cada eje de la máquina herramienta. Los husillos de bolas de alta calidad garantizan un movimiento lineal preciso, mientras que las guías lineales de alta precisión proporcionan un guiado suave.
La calidad del ensamblaje también es un factor importante que afecta la precisión de las máquinas herramienta. Durante el proceso de ensamblaje, es necesario controlar estrictamente parámetros como la precisión de ajuste, el paralelismo y la verticalidad entre los distintos componentes para garantizar una relación de movimiento precisa entre las piezas móviles de la máquina herramienta durante su funcionamiento.
El rendimiento del sistema de control es crucial para el control de precisión de las máquinas herramienta. Los sistemas CNC avanzados permiten un control de posición, velocidad e interpolación más precisos, mejorando así la precisión del mecanizado. Además, la función de compensación de errores del sistema CNC proporciona compensación en tiempo real de diversos errores de la máquina herramienta, mejorando aún más la precisión del mecanizado.
Las condiciones ambientales durante el proceso de mecanizado también pueden afectar la precisión de la máquina herramienta. Los cambios de temperatura y humedad pueden provocar dilatación y contracción térmica de los componentes de la máquina herramienta, lo que afecta la precisión del mecanizado. Por lo tanto, en el mecanizado de alta precisión, suele ser necesario controlar estrictamente el entorno de mecanizado y mantener una temperatura y una humedad constantes.
En resumen, la precisión de las máquinas herramienta CNC es un indicador integral que se ve influenciado por la interacción de numerosos factores. Al elegir una máquina herramienta CNC, es necesario considerar factores como el tipo de máquina, el nivel de precisión, los parámetros técnicos, así como la reputación y el servicio posventa del fabricante, en función de los requisitos de precisión de mecanizado de las piezas. Al mismo tiempo, durante el uso de la máquina herramienta, se deben realizar pruebas de precisión y mantenimiento periódicos para identificar y solucionar problemas con prontitud, asegurando que la máquina herramienta mantenga siempre una buena precisión y ofreciendo garantías fiables para la producción de piezas de alta calidad.
Con el continuo progreso tecnológico y el rápido desarrollo de la fabricación, los requisitos de precisión de las máquinas herramienta CNC también aumentan constantemente. Los fabricantes de máquinas herramienta CNC investigan e innovan constantemente, adoptando tecnologías y procesos más avanzados para mejorar la precisión y el rendimiento de sus máquinas. Al mismo tiempo, las normas y especificaciones relevantes de la industria se mejoran constantemente, proporcionando una base más científica y unificada para la evaluación de la precisión y el control de calidad de las máquinas herramienta CNC.
En el futuro, las máquinas herramienta CNC se desarrollarán hacia una mayor precisión, eficiencia y automatización, lo que brindará un mayor apoyo a la transformación y modernización de la industria manufacturera. Para las empresas manufactureras, un profundo conocimiento de las características de precisión de las máquinas herramienta CNC, así como su selección y uso racionales, serán clave para mejorar la calidad de sus productos y aumentar su competitividad en el mercado.