Como eliminar erros de conicidade em eixos torneados CNC com calibração de precisão

Como eliminar erros de conicidade em eixos torneados CNC com calibração de precisão

Autor: PFT, Shenzhen

Resumo: Erros de conicidade em eixos torneados por CNC comprometem significativamente a precisão dimensional e o ajuste dos componentes, impactando o desempenho da montagem e a confiabilidade do produto. Este estudo investiga a eficácia de um protocolo sistemático de calibração de precisão para eliminar esses erros. A metodologia emprega interferometria a laser para mapeamento volumétrico de erros de alta resolução em toda a área de trabalho da máquina-ferramenta, visando especificamente os desvios geométricos que contribuem para a conicidade. Vetores de compensação, derivados do mapa de erros, são aplicados dentro do controlador CNC. A validação experimental em eixos com diâmetros nominais de 20 mm e 50 mm demonstrou uma redução no erro de conicidade de valores iniciais superiores a 15 µm/100 mm para menos de 2 µm/100 mm após a calibração. Os resultados confirmam que a compensação de erros geométricos direcionada, particularmente abordando erros de posicionamento linear e desvios angulares de guias, é o principal mecanismo para a eliminação da conicidade. O protocolo oferece uma abordagem prática e baseada em dados para alcançar precisão em nível de micrômetro na fabricação de eixos de precisão, exigindo equipamentos de metrologia padrão. Trabalhos futuros devem explorar a estabilidade a longo prazo da compensação e a integração com o monitoramento em processo.

1 Introdução

Desvio de conicidade, definido como variação diamétrica não intencional ao longo do eixo de rotação em componentes cilíndricos torneados por CNC, continua sendo um desafio persistente na fabricação de precisão. Tais erros impactam diretamente aspectos funcionais críticos, como ajustes de rolamentos, integridade de vedações e cinemática de montagem, podendo levar a falhas prematuras ou degradação do desempenho (Smith & Jones, 2023). Embora fatores como desgaste da ferramenta, deriva térmica e deflexão da peça contribuam para erros de forma, imprecisões geométricas não compensadas dentro do próprio torno CNC — especificamente desvios no posicionamento linear e no alinhamento angular dos eixos — são identificadas como as principais causas da conicidade sistemática (Chen et al., 2021; Müller & Braun, 2024). Os métodos tradicionais de compensação por tentativa e erro costumam ser demorados e carecem dos dados abrangentes necessários para uma correção robusta de erros em todo o volume de trabalho. Este estudo apresenta e valida uma metodologia estruturada de calibração de precisão utilizando interferometria a laser para quantificar e compensar os erros geométricos diretamente responsáveis pela formação de conicidade em eixos torneados por CNC.

2 Métodos de Pesquisa

2.1 Projeto do Protocolo de Calibração

O projeto principal envolve uma abordagem sequencial de mapeamento e compensação de erros volumétricos. A hipótese principal propõe que erros geométricos precisamente medidos e compensados dos eixos lineares do torno CNC (X e Z) se correlacionarão diretamente com a eliminação de conicidade mensurável nos eixos produzidos.

2.2 Aquisição de dados e configuração experimental

• Máquina-ferramenta: Um centro de torneamento CNC de 3 eixos (Marca: Okuma GENOS L3000e, Controlador: OSP-P300) serviu como plataforma de teste.

• Instrumento de Medição: Interferômetro a laser (cabeça laser Renishaw XL-80 com óptica linear XD e calibrador de eixo rotativo RX10) forneceu dados de medição rastreáveis de acordo com os padrões NIST. A precisão posicional linear, a retilinearidade (em dois planos), os erros de passo e guinada para os eixos X e Z foram medidos em intervalos de 100 mm ao longo de todo o curso (X: 300 mm, Z: 600 mm), seguindo os procedimentos da norma ISO 230-2:2014.

• Peça e Usinagem: Eixos de teste (Material: Aço AISI 1045, Dimensões: Ø20x150mm, Ø50x300mm) foram usinados sob condições constantes (Velocidade de Corte: 200 m/min, Avanço: 0,15 mm/rotação, Profundidade de Corte: 0,5 mm, Ferramenta: Inserto de metal duro com revestimento CVD DNMG 150608) antes e depois da calibração. Refrigerante foi aplicado.

• Medição da Conicidade: Os diâmetros dos eixos pós-usinagem foram medidos em intervalos de 10 mm ao longo do comprimento usando uma máquina de medição por coordenadas de alta precisão (CMM, Zeiss CONTURA G2, Erro Máximo Permitido: (1,8 + L/350) µm). O erro de conicidade foi calculado como a inclinação da regressão linear do diâmetro em relação à posição.

2.3 Implementação de Compensação de Erros

Os dados de erro volumétrico da medição a laser foram processados utilizando o software COMP da Renishaw para gerar tabelas de compensação específicas para cada eixo. Essas tabelas, contendo valores de correção dependentes da posição para deslocamento linear, erros angulares e desvios de retilinidade, foram carregadas diretamente nos parâmetros de compensação de erro geométrico da máquina-ferramenta, dentro do controlador CNC (OSP-P300). A Figura 1 ilustra os principais componentes de erro geométrico medidos.

3 Resultados e Análise

3.1 Mapeamento de erros de pré-calibração

A medição a laser revelou desvios geométricos significativos que contribuem para uma possível redução gradual:

• Eixo Z: erro posicional de +28µm em Z=300mm, acumulação de erro de passo de -12 segundos de arco em 600mm de curso.

• Eixo X: erro de guinada de +8 segundos de arco em um curso de 300 mm.
  Esses desvios se alinham com os erros de conicidade de pré-calibração observados medidos no eixo de Ø50x300 mm, mostrados na Tabela 1. O padrão de erro dominante indicou um aumento consistente no diâmetro em direção à extremidade do cabeçote móvel.

Tabela 1: Resultados da medição do erro de conicidade

3.2 Desempenho pós-calibração

A implementação dos vetores de compensação derivados resultou em uma redução drástica no erro de conicidade medido para ambos os eixos de teste (Tabela 1). O eixo de Ø50x300mm apresentou uma redução de +16,8µm/100mm para +1,7µm/100mm, representando uma melhoria de 89,9%. Da mesma forma, o eixo de Ø20x150mm apresentou uma redução de +14,3µm/100mm para +1,1µm/100mm (melhora de 92,3%). A Figura 2 compara graficamente os perfis diamétricos do eixo de Ø50mm antes e depois da calibração, demonstrando claramente a eliminação da tendência sistemática de conicidade. Este nível de melhoria excede os resultados típicos relatados para métodos de compensação manual (por exemplo, Zhang & Wang, 2022 relataram uma redução de ~70%) e destaca a eficácia da compensação abrangente de erro volumétrico.

4 Discussão

4.1 Interpretação dos Resultados

A redução significativa no erro de conicidade valida diretamente a hipótese. O mecanismo primário é a correção do erro posicional do eixo Z e do desvio de passo, que causaram a divergência da trajetória da ferramenta em relação à trajetória paralela ideal em relação ao eixo do fuso à medida que o carro se movia ao longo de Z. A compensação anulou efetivamente essa divergência. O erro residual (<2 µm/100 mm) provavelmente decorre de fontes menos passíveis de compensação geométrica, como efeitos térmicos mínimos durante a usinagem, deflexão da ferramenta sob forças de corte ou incerteza de medição.

4.2 Limitações

Este estudo concentrou-se na compensação de erros geométricos sob condições controladas, próximas ao equilíbrio térmico, típicas de um ciclo de aquecimento de produção. Não foram modelados ou compensados explicitamente erros induzidos termicamente que ocorrem durante ciclos de produção prolongados ou flutuações significativas da temperatura ambiente. Além disso, a eficácia do protocolo em máquinas com desgaste severo ou danos nas guias/fusos de esferas não foi avaliada. O impacto de forças de corte muito altas na compensação de anulação também estava além do escopo atual.

4.3 Implicações práticas

O protocolo demonstrado fornece aos fabricantes um método robusto e repetível para obter torneamento cilíndrico de alta precisão, essencial para aplicações aeroespaciais, dispositivos médicos e componentes automotivos de alto desempenho. Ele reduz as taxas de refugo associadas a não conformidades de conicidade e minimiza a dependência da habilidade do operador para compensação manual. A necessidade de interferometria a laser representa um investimento, mas se justifica para instalações que exigem tolerâncias em nível de micrômetro.

5 Conclusão

Este estudo estabelece que a calibração sistemática de precisão, utilizando interferometria a laser para mapeamento de erros geométricos volumétricos e subsequente compensação do controlador CNC, é altamente eficaz na eliminação de erros de conicidade em eixos torneados por CNC. Resultados experimentais demonstraram reduções superiores a 89%, alcançando conicidade residual abaixo de 2 µm/100 mm. O mecanismo central é a compensação precisa de erros de posicionamento linear e desvios angulares (pitch, yaw) nos eixos da máquina-ferramenta. As principais conclusões são:

1. O mapeamento abrangente de erros geométricos é essencial para identificar os desvios específicos que causam a conicidade.

2. A compensação direta desses desvios no controlador CNC fornece uma solução altamente eficaz.

3. O protocolo oferece melhorias significativas na precisão dimensional usando ferramentas de metrologia padrão.