Gründliche Analyse des Präzisionsniveaus und der Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit für Schlüsselteile von CNC-Werkzeugmaschinen
In der modernen Fertigung sind CNC-Werkzeugmaschinen mit ihrer hohen Präzision, Effizienz und ihrem hohen Automatisierungsgrad zur Kernausrüstung für die Herstellung verschiedener Präzisionsteile geworden. Die Genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen bestimmt direkt die Qualität und Komplexität der Teile, die sie bearbeiten können, und die Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit für Schlüsselteile typischer Teile spielen eine entscheidende Rolle bei der Auswahl von CNC-Werkzeugmaschinen.
CNC-Werkzeugmaschinen lassen sich je nach Einsatzzweck in verschiedene Typen einteilen, darunter einfache, voll funktionsfähige und hochpräzise Maschinen. Jeder Typ erreicht unterschiedliche Genauigkeitsgrade. Einfache CNC-Werkzeugmaschinen werden noch heute in einigen Dreh- und Fräsmaschinen eingesetzt. Die minimale Bewegungsauflösung beträgt 0,01 mm, die Bewegungs- und Bearbeitungsgenauigkeit liegt meist über (0,03–0,05) mm. Dieser Werkzeugmaschinentyp eignet sich für Bearbeitungsaufgaben mit relativ geringen Präzisionsanforderungen.
Ultrapräzise CNC-Werkzeugmaschinen werden hauptsächlich in der Spezialbearbeitung eingesetzt und erreichen eine Genauigkeit von unter 0,001 mm. Diese hochpräzisen Werkzeugmaschinen können hochpräzise Teile herstellen und erfüllen die strengen Anforderungen hochpräziser und hochmoderner Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik.
Neben der Klassifizierung nach Verwendungszweck können CNC-Werkzeugmaschinen auch anhand ihrer Genauigkeit in Standard- und Präzisionsmaschinen eingeteilt werden. Bei der Prüfung der Genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen werden in der Regel 20 bis 30 Punkte berücksichtigt. Zu den repräsentativsten und charakteristischsten Punkten zählen jedoch vor allem die Positioniergenauigkeit einer einzelnen Achse, die wiederholte Positioniergenauigkeit einer einzelnen Achse und die Rundheit des Prüflings, der durch zwei oder mehr verbundene Bearbeitungsachsen erzeugt wird.
Die Positioniergenauigkeit einer einzelnen Achse gibt den Fehlerbereich bei der Positionierung eines beliebigen Punkts innerhalb des Achsenhubs an und ist ein wichtiger Indikator, der die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine direkt widerspiegelt. Derzeit gibt es weltweit gewisse Unterschiede in den Vorschriften, Definitionen, Messmethoden und Datenverarbeitungsmethoden dieses Indikators. Bei der Einführung von Beispieldaten für verschiedene Arten von CNC-Werkzeugmaschinen sind die American Standard (NAS), die empfohlenen Standards der American Machine Tool Manufacturers Association, die Deutsche Norm (VDI), die Japanische Norm (JIS), die Internationale Organisation für Normung (ISO) und die Chinesische Nationale Norm (GB) gängige Standards.
Es ist zu beachten, dass der japanische Standard von diesen Standards den niedrigsten vorgibt. Die Messmethode basiert auf einem einzigen Satz stabiler Daten, und dann wird der Fehlerwert durch Bildung eines ±-Werts um die Hälfte komprimiert. Daher weicht die mit japanischen Standardmessverfahren gemessene Positioniergenauigkeit oft um mehr als das Doppelte von den mit anderen Standards gemessenen Ergebnissen ab. Andere Standards hingegen, obwohl sie sich in der Datenverarbeitung unterscheiden, folgen alle dem Gesetz der Fehlerstatistik, um die Mess- und Positioniergenauigkeit zu analysieren. Dies bedeutet, dass ein bestimmter Positionierungspunktfehler in einem steuerbaren Achsenhub einer CNC-Werkzeugmaschine die Fehlersituation von Tausenden von Positionierungen während des Langzeiteinsatzes der Werkzeugmaschine widerspiegeln sollte. Bei tatsächlichen Messungen kann jedoch aufgrund eingeschränkter Bedingungen nur eine begrenzte Anzahl von Messungen durchgeführt werden (normalerweise 5-7 Mal).
Die wiederholte Positionierungsgenauigkeit einer einzelnen Achse spiegelt die Gesamtgenauigkeit jedes beweglichen Bauteils der Achse wider, insbesondere die Positionierungsstabilität der Achse an jedem Positionierungspunkt innerhalb des Hubs, was von großer Bedeutung ist. Sie ist ein grundlegender Indikator dafür, ob die Achse stabil und zuverlässig arbeitet. Moderne CNC-Systeme verfügen in der Regel über umfangreiche Fehlerkompensationsfunktionen, die die Systemfehler jedes Glieds der Vorschubkette stabil kompensieren können.
Beispielsweise weisen Spiel, elastische Verformung und Kontaktsteifigkeit jedes Glieds in der Antriebskette je nach Faktoren wie der Belastung der Werkbank, der Länge der Bewegungsstrecke und der Geschwindigkeit der Bewegungspositionierung unterschiedliche Momentanbewegungen auf. Bei einigen Servosystemen mit offenem und halbgeschlossenem Regelkreis werden die mechanischen Antriebskomponenten nach der Messung der Komponenten durch verschiedene zufällige Faktoren beeinflusst, was zu erheblichen Zufallsfehlern führt. Beispielsweise kann die thermische Ausdehnung von Kugelumlaufspindeln zu einer Abweichung der tatsächlichen Position der Werkbank führen.
Um die Genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen umfassend zu bewerten, ist es neben den oben genannten Einzelachsen-Genauigkeitsindikatoren auch entscheidend, die Genauigkeit der Mehrachsen-Verbindungsbearbeitung zu bewerten. Die Präzision beim Fräsen zylindrischer Oberflächen oder beim Fräsen räumlicher Spiralnuten (Gewinde) ist ein Indikator, der die Servo-Folgebewegungseigenschaften von CNC-Achsen (zwei oder drei Achsen) und die Interpolationsfunktion von CNC-Systemen in Werkzeugmaschinen umfassend bewerten kann. Die übliche Beurteilungsmethode ist die Messung der Rundheit der bearbeiteten zylindrischen Oberfläche.
Beim Probefräsen mit CNC-Werkzeugmaschinen ist das Fräsen mit schrägem Vierkant ebenfalls eine effektive Methode zur Beurteilung der Genauigkeit zweier steuerbarer Achsen bei linearer Interpolationsbewegung. Bei diesem Probefräsen wird der für die Präzisionsbearbeitung verwendete Schaftfräser auf der Spindel der Werkzeugmaschine montiert und die auf der Werkbank platzierte kreisförmige Probe gefräst. Für kleine und mittelgroße Werkzeugmaschinen werden kreisförmige Proben in der Regel im Bereich von 200 bis 300 Yen ausgewählt. Nach Abschluss des Fräsens wird die Probe auf ein Rundheitsmessgerät gelegt und die Rundheit der bearbeiteten Oberfläche gemessen.
Durch Beobachtung und Analyse der Bearbeitungsergebnisse können viele wichtige Informationen über die Genauigkeit und Leistung von Werkzeugmaschinen gewonnen werden. Wenn auf der gefrästen zylindrischen Oberfläche deutliche Fräserschwingungsmuster vorhanden sind, spiegelt dies die instabile Interpolationsgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine wider. Wenn die durch das Fräsen erzeugte Rundheit einen signifikanten elliptischen Fehler aufweist, deutet dies darauf hin, dass die Verstärkungen der beiden steuerbaren Achsensysteme für die Interpolationsbewegung nicht übereinstimmen. Wenn auf einer kreisförmigen Oberfläche an den Punkten, an denen jede steuerbare Achse die Richtung ändert, Stoppmarkierungen vorhanden sind (dh bei kontinuierlicher Schneidbewegung bildet das Werkzeug, wenn die Vorschubbewegung an einer bestimmten Position stoppt, einen kleinen Abschnitt mit Metallschnittmarkierungen auf der Bearbeitungsoberfläche), weist dies darauf hin, dass die Vorwärts- und Rückwärtsabstände der Achsen nicht richtig eingestellt sind.
Die Genauigkeitsbeurteilung von CNC-Werkzeugmaschinen ist ein komplexer und schwieriger Prozess. Manche Maschinen erfordern sogar nach Abschluss der Bearbeitung eine genaue Bewertung. Dies liegt daran, dass die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen von einer Kombination verschiedener Faktoren beeinflusst wird, darunter der strukturelle Aufbau der Werkzeugmaschine, die Fertigungsgenauigkeit der Komponenten, die Montagequalität, die Leistung der Steuerungssysteme und die Umgebungsbedingungen während des Bearbeitungsprozesses.
Bei der Konstruktion von Werkzeugmaschinen können eine sinnvolle Strukturgestaltung und eine stabile Konstruktion Vibrationen und Verformungen während des Bearbeitungsprozesses effektiv reduzieren und so die Bearbeitungsgenauigkeit verbessern. Beispielsweise kann die Verwendung hochfester Bettmaterialien, optimierter Säulen- und Querträgerstrukturen usw. zur Verbesserung der Gesamtstabilität der Werkzeugmaschine beitragen.
Auch die Fertigungsgenauigkeit der Komponenten spielt eine grundlegende Rolle für die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen. Die Genauigkeit von Schlüsselkomponenten wie Kugelumlaufspindeln, Linearführungen und Spindeln bestimmt direkt die Bewegungsgenauigkeit jeder Bewegungsachse der Werkzeugmaschine. Hochwertige Kugelumlaufspindeln sorgen für präzise Linearbewegungen, während hochpräzise Linearführungen für eine reibungslose Führung sorgen.
Die Montagequalität ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen. Beim Montageprozess der Werkzeugmaschine müssen Parameter wie Passgenauigkeit, Parallelität und Vertikalität zwischen verschiedenen Komponenten streng kontrolliert werden, um die genaue Bewegungsbeziehung zwischen den beweglichen Teilen der Werkzeugmaschine während des Betriebs sicherzustellen.
Die Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems ist entscheidend für die Genauigkeitskontrolle von Werkzeugmaschinen. Moderne CNC-Systeme ermöglichen präzisere Positions- und Geschwindigkeitsregelungen sowie Interpolationsvorgänge und verbessern so die Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen. Gleichzeitig ermöglicht die Fehlerkompensationsfunktion des CNC-Systems eine Echtzeitkompensation verschiedener Fehler der Werkzeugmaschine und verbessert so die Bearbeitungsgenauigkeit weiter.
Auch die Umgebungsbedingungen während des Bearbeitungsprozesses können die Genauigkeit der Werkzeugmaschine beeinflussen. Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen können zu einer thermischen Ausdehnung und Kontraktion der Werkzeugmaschinenkomponenten führen und so die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen. Daher ist es bei hochpräzisen Bearbeitungen in der Regel notwendig, die Bearbeitungsumgebung streng zu kontrollieren und Temperatur und Luftfeuchtigkeit konstant zu halten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen ein umfassender Indikator ist, der durch das Zusammenspiel zahlreicher Faktoren beeinflusst wird. Bei der Auswahl einer CNC-Werkzeugmaschine müssen Faktoren wie Maschinentyp, Genauigkeitsgrad, technische Parameter sowie der Ruf und der Kundendienst des Herstellers berücksichtigt werden, basierend auf den Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit der Teile. Gleichzeitig sollten während des Einsatzes der Werkzeugmaschine regelmäßige Genauigkeitsprüfungen und Wartungen durchgeführt werden, um Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben. So wird sichergestellt, dass die Werkzeugmaschine stets eine gute Genauigkeit aufweist und zuverlässige Garantien für die Produktion hochwertiger Teile gegeben sind.
Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt und der rasanten Entwicklung der Fertigung steigen auch die Anforderungen an die Genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen stetig. Hersteller von CNC-Werkzeugmaschinen forschen und entwickeln ständig weiter und setzen fortschrittlichere Technologien und Verfahren ein, um die Genauigkeit und Leistung von Werkzeugmaschinen zu verbessern. Gleichzeitig werden relevante Industriestandards und -spezifikationen ständig verbessert, um eine wissenschaftlichere und einheitlichere Grundlage für die Genauigkeitsbewertung und Qualitätskontrolle von CNC-Werkzeugmaschinen zu schaffen.
CNC-Werkzeugmaschinen werden künftig präziser, effizienter und automatisierter und unterstützen so die Transformation und Modernisierung der Fertigungsindustrie. Für Fertigungsunternehmen sind ein tiefes Verständnis der Präzisionseigenschaften von CNC-Werkzeugmaschinen sowie deren sinnvolle Auswahl und Nutzung der Schlüssel zur Verbesserung der Produktqualität und zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit.