W mojej ponad 30 letniej praktyce badań dokładności i problemów z dokładnością obróbki na obrabiarkach często spotykałem się z pytaniami typu:
- Dlaczego wychodzi mi dużo braków przy obróbce w ruchu interpolowanym, mimo sprawdzenia obrabiarki „laserem” i wprowadzeniu poprawek korekcyjnych?
- Dlaczego jeden rodzaj obróbki wychodzi bardzo dobrze, a drugi źle na tej samej obrabiarce?
Skłoniło to mnie to już dość dawno do zastanowienia się nad problemem, jak przełożyć diagnozowaną dokładność geometryczną, pozycjonowania, kinematyczną itd. obrabiarki na dokładność obróbki, szczególnie dla obróbek specjalnych wymagających ruchów złożonych. Postanowiłem zacząć od tokarek, jako że przebadałem różnymi metodami co najmniej 200 tych maszyn, w tym wiele prototypowych przeznaczonych właśnie do obróbek specjalnych. Na wstępie postawiłem sobie także pytania:
- czy wskaźniki dokładności wyznaczane na podstawie typowych testów badań odbiorczych mogą być miarą zdolności do dokładnej obróbki każdego rodzaju?
- jakiej dokładności wynikającej z własności tokarki należy się spodziewać dla danego rodzaju obróbki i jak ją ocenić bez konieczności wykonywania detali próbnych, szczególnie przy obróbkach złożonych?
W artykule zamieściłem wstępne przemyślenia z moich doświadczeń i wykonanych prac dotyczących dokładności obrabiarek, jak należy podejść do postawionego w pytaniach problemu.
Wstęp
Rozwój układów sterowania powoduje, że uniwersalne tokarki CNC posiadają coraz więcej możliwości i pozwalają na wykonywanie wielu operacji obróbkowych wynikających ze złożenia różnych rodzajów zadanych ruchów technologicznych. Przykładowo są to:
- toczenie powierzchni krzywoliniowych (ruchy interpolowane osi posuwowych),
- frezowanie i wiercenie po obwodzie narzędziami obrotowymi (ruch złożony osi posuwowych i obrotowych),
- obróbka z przechwytem przez wrzeciono przechwytujące (synchronizacja obrotów wrzecion),
- wysokowydajne „toczenie” wielokątów (synchronizacja stałego przełożenia obrotu wrzeciona i narzędzia obrotowego z jednoczesnym ruchem posuwowym narzędzia) [1],
- obróbka gwintów falistych (synchronizacja obrotów wrzeciona z cyklicznym ruchem nawrotnym osi X i posuwem osi Z)[4].
Operacje te wykorzystują złożenie różnych ruchów technologicznych posuwowych i obrotowych dla uzyskania żądanej trajektorii skrawania (styku narzędzia z przedmiotem obrabianym). Wszelkie odchyłki od oczekiwanej/zadanej pozycji lub trajektorii ruchu powodują błędy obróbki. Odchyłki te względem przyjętych punktów charakterystycznych mocowania narzędzia i przedmiotu (punkty A,B,C na schemacie Rys. 1), ustalających oczekiwane/nominalne położenie przedmiotu zamocowanego w uchwycie wrzeciona i narzędzia w przestrzeni roboczej tokarki, są przyczyną błędów obróbki wynikających z właściwości obrabiarki. W diagnostyce tej nie rozpatrujemy błędów obróbki wynikających z przyjętych parametrów skrawania, zużycia narzędzia, wibrostabilności, zakładając poprawne parametry skrawania obróbki wykańczającej.

A – punkt przecięcia osi wrzeciona głównego z płaszczyzną prostopadłą do niej określoną przez płaszczyznę czoła wrzeciona,
B – punkt określony przez końcówkę ostrza narzędzia skrawającego poruszający się wraz z suportem w płaszczyźnie obróbki (XZ),
C – punkt określony przez końcówkę kła konika, leżący w osi wrzeciona i poruszający się wzdłuż tej osi (rozpatrywany wspólnie z punktami A i B, dla wersji tokarki z konikiem).
Założenia te są punktem wyjścia do diagnostyki błędów obróbki, wynikających z właściwości tokarki. Przy rozpatrywaniu ruchów technologicznych, możemy inaczej spojrzeć na podział błędów obrabiarki, dzieląc je na błędy powodujące stałe lub chwilowe zmiany oczekiwanych położeń narzędzia i przedmiotu obrabianego, co powinno ułatwić diagnostykę przyczyn błędów rozpatrywanej obróbki. Ze względu na charakter wpływu na trajektorię zadanych ruchów można je podzielić na:
- Błędy odwzorowania statycznego realizowanego zarysu (konturu) odzwierciedlają błędy geometryczne, pozycjonowania lub zastosowanego modelu obliczeniowego, określającego pozycję zadaną, wpływające na wzajemne usytuowanie narzędzia i przedmiotu na danej pozycji w stanie ustalonym (po zatrzymaniu ruchu dojścia do tej pozycji).
- Błędy wartości średnich zadanych prędkości (liniowych i obrotowych) odzwierciedlają najczęściej błędy kinematyczne przełożeń zastosowanych w konstrukcji napędów. Dla niektórych rodzajów obróbki (np. gwintowania) powodują narastający błąd oczekiwanej pozycji kątowej przedmiotu obracanego lub liniowej narzędzia. Są szczególnym rodzajem błędów nadążania.
- Błędy nadążania odzwierciedlają zbyt wolną (szybką) realizację zadanej wartości ruchu, rozpatruje się je w funkcji czasu, wynikają najczęściej z własności, możliwości i nastaw układów serwonapędowych w stosunku do zadanych wartości, powodując zmiany chwilowych położeń narzędzia i przedmiotu względem wartości oczekiwanych.
- Błędy przemieszczeń dynamicznych są wynikiem oddziałujących sił, zadawanych ruchów i własności tokarki (sztywności, wibrostabilności, dokładności kinematycznych). Typowe diagnozowane błędy zadanych pozycji chwilowych wynikają z drgań, luzów zwrotnych, tarcia, dokładności łożysk, itp.
- Błędy temperaturowe wynikają ze zmian warunków otoczenia i nagrzewania się elementów tokarki na skutek wydzielanego ciepła podczas realizacji jej ruchów. Powodują dryfty temperaturowe punktów bazowych powodując zmiany oczekiwanej wzajemnej pozycji narzędzia i przedmiotu. Zmiany te w odróżnieniu do błędów dynamicznych i nadążania są zmianami stosunkowo wolnozmiennymi w czasie. Wielkość tych zmian zależy w dużym stopniu od własności konstrukcyjnych maszyny i wielkości zadawanych ruchów.
Ponieważ decydującym o dokładności obróbki czynnikiem jest utrzymanie zadanych trajektorii ruchów technologicznych, dlatego też, aby zdiagnozować przyczyny błędów obróbki należy zastosować metody, którymi można zweryfikować dokładność realizacji tych ruchów tak w przestrzeni jak i w czasie. Poniżej przedstawiam wg mnie najbardziej przydatne metod badań, aby móc ocenić błędy ruchów technologicznych i zdiagnozować przyczyny błędów wykonania detali w obróbkach specjalnych, oraz mieć narzędzia do oceny przeprowadzanych regulacji i/lub napraw obrabiarki.