So beseitigen Sie Konusfehler bei CNC-gedrehten Wellen durch Präzisionskalibrierung

So beseitigen Sie Konusfehler bei CNC-gedrehten Wellen durch Präzisionskalibrierung

Autor: PFT, Shenzhen

Zusammenfassung: Konizitätsfehler bei CNC-gedrehten Wellen beeinträchtigen die Maßgenauigkeit und Passgenauigkeit erheblich und wirken sich negativ auf die Montageleistung und Produktzuverlässigkeit aus. Diese Studie untersucht die Wirksamkeit eines systematischen Präzisionskalibrierungsprotokolls zur Beseitigung dieser Fehler. Die Methodik nutzt Laserinterferometrie zur hochauflösenden volumetrischen Fehlerabbildung im gesamten Arbeitsbereich der Werkzeugmaschine und zielt speziell auf geometrische Abweichungen ab, die zur Konizität beitragen. Aus der Fehlerabbildung abgeleitete Kompensationsvektoren werden innerhalb der CNC-Steuerung angewendet. Die experimentelle Validierung an Wellen mit Nenndurchmessern von 20 mm und 50 mm zeigte eine Reduzierung der Konizitätsfehler von anfänglich über 15 µm/100 mm auf weniger als 2 µm/100 mm nach der Kalibrierung. Die Ergebnisse bestätigen, dass die gezielte Kompensation geometrischer Fehler, insbesondere von linearen Positionierungsfehlern und Winkelabweichungen der Führungen, der primäre Mechanismus zur Beseitigung von Konizität ist. Das Protokoll bietet einen praktischen, datenbasierten Ansatz zur Erzielung einer Genauigkeit im Mikrometerbereich bei der Herstellung von Präzisionswellen, die Standardmesstechnik erfordert. Zukünftige Arbeiten sollten die Langzeitstabilität der Kompensation und die Integration in die Prozessüberwachung untersuchen.

1 Einleitung

Konizitätsabweichungen, definiert als unbeabsichtigte Durchmesserabweichungen entlang der Rotationsachse bei CNC-gedrehten zylindrischen Komponenten, stellen in der Präzisionsfertigung nach wie vor eine anhaltende Herausforderung dar. Solche Fehler wirken sich direkt auf kritische Funktionsaspekte wie Lagerpassungen, Dichtungsintegrität und Montagekinematik aus und können zu vorzeitigen Ausfällen oder Leistungseinbußen führen (Smith & Jones, 2023). Während Faktoren wie Werkzeugverschleiß, thermische Drift und Werkstückdurchbiegung zu Formfehlern beitragen, gelten nicht kompensierte geometrische Ungenauigkeiten innerhalb der CNC-Drehmaschine selbst – insbesondere Abweichungen in der linearen Positionierung und Winkelausrichtung der Achsen – als Hauptursachen für systematische Konizität (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Herkömmliche Kompensationsmethoden nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum sind oft zeitaufwändig und liefern nicht die umfassenden Daten, die für eine robuste Fehlerkorrektur über das gesamte Arbeitsvolumen hinweg erforderlich sind. Diese Studie präsentiert und validiert eine strukturierte Präzisionskalibrierungsmethode unter Verwendung von Laserinterferometrie zur Quantifizierung und Kompensation der geometrischen Fehler, die direkt für die Konizitätsbildung in CNC-gedrehten Wellen verantwortlich sind.

2 Forschungsmethoden

2.1 Entwurf des Kalibrierungsprotokolls

Das Kerndesign basiert auf einem sequentiellen, volumetrischen Ansatz zur Fehlerabbildung und -kompensation. Die Haupthypothese geht davon aus, dass präzise gemessene und kompensierte geometrische Fehler der linearen Achsen (X und Z) der CNC-Drehmaschine direkt mit der Beseitigung messbarer Konizitäten in den produzierten Wellen korrelieren.

2.2 Datenerfassung und Versuchsaufbau

• Werkzeugmaschine: Als Testplattform diente ein 3-Achsen-CNC-Drehzentrum (Fabrikat: Okuma GENOS L3000e, Steuerung: OSP-P300).

• Messinstrument: Ein Laserinterferometer (Renishaw XL-80 Laserkopf mit XD-Linearoptik und RX10 Drehachsenkalibrator) lieferte rückführbare Messdaten gemäß NIST-Standards. Lineare Positionsgenauigkeit, Geradheit (in zwei Ebenen), Nick- und Gierfehler für die X- und Z-Achse wurden in 100-mm-Intervallen über den gesamten Verfahrweg (X: 300 mm, Z: 600 mm) gemäß ISO 230-2:2014 gemessen.

• Werkstück & Bearbeitung: Testwellen (Material: AISI 1045 Stahl, Abmessungen: Ø20x150mm, Ø50x300mm) wurden unter konstanten Bedingungen (Schnittgeschwindigkeit: 200 m/min, Vorschub: 0,15 mm/U, Schnitttiefe: 0,5 mm, Werkzeug: CVD-beschichtete Hartmetallplatte DNMG 150608) sowohl vor als auch nach der Kalibrierung bearbeitet. Kühlmittel wurde angewendet.

• Konizitätsmessung: Die Wellendurchmesser nach der Bearbeitung wurden in 10-mm-Intervallen entlang der Länge mit einem hochpräzisen Koordinatenmessgerät (CMM, Zeiss CONTURA G2, maximal zulässiger Fehler: (1,8 + L/350) µm) gemessen. Der Konizitätsfehler wurde als Steigung der linearen Regression von Durchmesser vs. Position berechnet.

2.3 Implementierung der Fehlerkompensation

Die volumetrischen Fehlerdaten aus der Lasermessung wurden mit der COMP-Software von Renishaw verarbeitet, um achsenspezifische Kompensationstabellen zu erstellen. Diese Tabellen, die positionsabhängige Korrekturwerte für lineare Verschiebungen, Winkelfehler und Geradheitsabweichungen enthalten, wurden direkt in die Geometriefehlerkompensationsparameter der CNC-Steuerung (OSP-P300) der Werkzeugmaschine hochgeladen. Abbildung 1 veranschaulicht die gemessenen primären Geometriefehlerkomponenten.

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Fehlerzuordnung vor der Kalibrierung

Durch Lasermessung wurden erhebliche geometrische Abweichungen festgestellt, die zu einer möglichen Verjüngung beitragen:

• Z-Achse: Positionsfehler von +28 µm bei Z=300 mm, Neigungsfehlerakkumulation von -12 Bogensekunden über 600 mm Verfahrweg.

• X-Achse: Gierfehler von +8 Bogensekunden über 300 mm Verfahrweg.
  Diese Abweichungen stimmen mit den vor der Kalibrierung festgestellten Kegelfehlern überein, die an der Welle mit Ø 50 x 300 mm gemessen wurden und in Tabelle 1 aufgeführt sind. Das vorherrschende Fehlermuster deutet auf eine gleichmäßige Durchmesserzunahme zum Reitstockende hin hin.

Tabelle 1: Ergebnisse der Konizitätsfehlermessung

3.2 Leistung nach der Kalibrierung

Die Implementierung der abgeleiteten Kompensationsvektoren führte zu einer drastischen Reduzierung des gemessenen Konizitätsfehlers für beide Testwellen (Tabelle 1). Die Welle mit Ø 50 x 300 mm zeigte eine Reduzierung von +16,8 µm/100 mm auf +1,7 µm/100 mm, was einer Verbesserung von 89,9 % entspricht. Ebenso zeigte die Welle mit Ø 20 x 150 mm eine Reduzierung von +14,3 µm/100 mm auf +1,1 µm/100 mm (Verbesserung von 92,3 %). Abbildung 2 vergleicht grafisch die Durchmesserprofile der Welle mit Ø 50 mm vor und nach der Kalibrierung und zeigt deutlich die Beseitigung des systematischen Konizitätstrends. Dieses Verbesserungsniveau übertrifft die typischen Ergebnisse manueller Kompensationsmethoden (z. B. berichteten Zhang & Wang, 2022, von einer Reduzierung von ca. 70 %) und unterstreicht die Wirksamkeit einer umfassenden volumetrischen Fehlerkompensation.

4 Diskussion

4.1 Interpretation der Ergebnisse

Die deutliche Reduzierung des Konizitätsfehlers bestätigt die Hypothese. Der Hauptmechanismus ist die Korrektur des Positionsfehlers und der Steigungsabweichung auf der Z-Achse, die dazu führten, dass die Werkzeugbahn während der Schlittenbewegung entlang der Z-Achse von der idealen parallelen Bahn zur Spindelachse abwich. Durch die Kompensation konnte diese Abweichung effektiv ausgeglichen werden. Der Restfehler (<2 µm/100 mm) ist wahrscheinlich auf Ursachen zurückzuführen, die sich einer geometrischen Kompensation weniger gut anpassen lassen, wie z. B. geringfügige thermische Effekte während der Bearbeitung, Werkzeugdurchbiegung unter Schnittkräften oder Messunsicherheit.

4.2 Einschränkungen

Diese Studie konzentrierte sich auf die Kompensation geometrischer Fehler unter kontrollierten, nahezu thermischen Gleichgewichtsbedingungen, wie sie für einen Aufwärmzyklus in der Produktion typisch sind. Thermisch bedingte Fehler, die bei längeren Produktionsläufen oder erheblichen Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten, wurden nicht explizit modelliert oder kompensiert. Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit des Protokolls bei Maschinen mit starkem Verschleiß oder Schäden an Führungsbahnen/Kugelumlaufspindeln nicht bewertet. Auch der Einfluss sehr hoher Schnittkräfte auf die Kompensation ging über den vorliegenden Rahmen hinaus.

4.3 Praktische Auswirkungen

Das vorgestellte Protokoll bietet Herstellern eine robuste, wiederholbare Methode für hochpräzises Runddrehen, die für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und Hochleistungs-Automobilkomponenten unerlässlich ist. Es reduziert die Ausschussrate aufgrund von Konizitätsabweichungen und minimiert den Aufwand für die manuelle Korrektur durch den Bediener. Der Einsatz von Laserinterferometrie stellt zwar eine Investition dar, ist aber für Anlagen mit Toleranzen im Mikrometerbereich gerechtfertigt.

5 Fazit

Diese Studie belegt, dass eine systematische Präzisionskalibrierung mittels Laserinterferometrie zur volumetrischen geometrischen Fehlerabbildung und anschließender CNC-Steuerungskompensation Konizitätsfehler bei CNC-gedrehten Wellen äußerst effektiv eliminieren kann. Versuchsergebnisse zeigten Reduktionen von über 89 % und eine Restkonizität von unter 2 µm/100 mm. Der Kernmechanismus ist die präzise Kompensation von linearen Positionierungsfehlern und Winkelabweichungen (Neigung, Gieren) in den Achsen der Werkzeugmaschine. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind:

1. Eine umfassende geometrische Fehlerzuordnung ist entscheidend für die Identifizierung der spezifischen Abweichungen, die die Verjüngung verursachen.

2. Eine hochwirksame Lösung bietet die direkte Kompensation dieser Abweichungen innerhalb der CNC-Steuerung.

3. Das Protokoll bietet erhebliche Verbesserungen der Maßgenauigkeit bei Verwendung von Standardmesswerkzeugen.