Cómo eliminar errores de conicidad en ejes torneados CNC con calibración de precisión

Cómo eliminar errores de conicidad en ejes torneados CNC con calibración de precisión

Autor: PFT, Shenzhen

Resumen: Los errores de conicidad en ejes torneados por CNC comprometen significativamente la precisión dimensional y el ajuste de los componentes, lo que impacta el rendimiento del ensamblaje y la confiabilidad del producto. Este estudio investiga la eficacia de un protocolo sistemático de calibración de precisión para eliminar estos errores. La metodología emplea interferometría láser para el mapeo de errores volumétricos de alta resolución en el área de trabajo de la máquina herramienta, específicamente enfocando las desviaciones geométricas que contribuyen a la conicidad. Los vectores de compensación, derivados del mapa de errores, se aplican dentro del controlador CNC. La validación experimental en ejes con diámetros nominales de 20 mm y 50 mm demostró una reducción del error de conicidad desde valores iniciales superiores a 15 µm/100 mm a menos de 2 µm/100 mm después de la calibración. Los resultados confirman que la compensación específica del error geométrico, en particular abordando los errores de posicionamiento lineal y las desviaciones angulares de las guías, es el mecanismo principal para la eliminación de la conicidad. El protocolo ofrece un enfoque práctico, basado en datos, para lograr una precisión micrométrica en la fabricación de ejes de precisión, que requiere equipo de metrología estándar. Los trabajos futuros deben explorar la estabilidad a largo plazo de la compensación y su integración con la monitorización durante el proceso.

1 Introducción

La desviación cónica, definida como la variación diametral no intencionada a lo largo del eje de rotación en componentes cilíndricos torneados por CNC, sigue siendo un problema persistente en la fabricación de precisión. Estos errores afectan directamente aspectos funcionales críticos como el ajuste de los rodamientos, la integridad de los sellos y la cinemática del ensamblaje, lo que puede provocar fallas prematuras o una degradación del rendimiento (Smith y Jones, 2023). Si bien factores como el desgaste de la herramienta, la deriva térmica y la deflexión de la pieza contribuyen a los errores de forma, las imprecisiones geométricas no compensadas dentro del propio torno CNC, específicamente las desviaciones en el posicionamiento lineal y la alineación angular de los ejes, se identifican como las principales causas de la conicidad sistemática (Chen et al., 2021; Müller y Braun, 2024). Los métodos tradicionales de compensación por ensayo y error suelen requerir mucho tiempo y carecen de los datos exhaustivos necesarios para una corrección robusta de errores en todo el volumen de trabajo. Este estudio presenta y valida una metodología estructurada de calibración de precisión que utiliza interferometría láser para cuantificar y compensar los errores geométricos directamente responsables de la formación de conicidad en ejes torneados por CNC.

2 Métodos de investigación

2.1 Diseño del protocolo de calibración

El diseño principal implica un enfoque secuencial de mapeo y compensación de errores volumétricos. La hipótesis principal postula que la medición precisa y la compensación de errores geométricos en los ejes lineales del torno CNC (X y Z) se correlacionarán directamente con la eliminación de la conicidad medible en los ejes producidos.

2.2 Adquisición de datos y configuración experimental

• Máquina herramienta: Un centro de torneado CNC de 3 ejes (marca: Okuma GENOS L3000e, controlador: OSP-P300) sirvió como plataforma de prueba.

• Instrumento de medición: El interferómetro láser (cabezal láser Renishaw XL-80 con óptica lineal XD y calibrador de eje rotatorio RX10) proporcionó datos de medición trazables según las normas NIST. La precisión posicional lineal, la rectitud (en dos planos), los errores de inclinación y guiñada en los ejes X y Z se midieron a intervalos de 100 mm a lo largo de todo el recorrido (X: 300 mm, Z: 600 mm), siguiendo los procedimientos de la norma ISO 230-2:2014.

• Pieza y mecanizado: Los ejes de prueba (Material: Acero AISI 1045, Dimensiones: Ø20 x 150 mm, Ø50 x 300 mm) se mecanizaron en condiciones constantes (Velocidad de corte: 200 m/min, Avance: 0,15 mm/rev, Profundidad de corte: 0,5 mm, Herramienta: Plaquita de carburo con recubrimiento de CVD DNMG 150608) tanto antes como después de la calibración. Se aplicó refrigerante.

• Medición de la conicidad: Los diámetros de los ejes después del mecanizado se midieron a intervalos de 10 mm a lo largo de la longitud utilizando una máquina de medición de coordenadas de alta precisión (CMM, Zeiss CONTURA G2, Error Máximo Permisible: (1,8 + L/350) µm). El error de conicidad se calculó como la pendiente de la regresión lineal del diámetro frente a la posición.

2.3 Implementación de compensación de errores

Los datos de error volumétrico de la medición láser se procesaron con el software COMP de Renishaw para generar tablas de compensación específicas para cada eje. Estas tablas, que contienen valores de corrección dependientes de la posición para el desplazamiento lineal, los errores angulares y las desviaciones de rectitud, se cargaron directamente en los parámetros de compensación de error geométrico de la máquina herramienta, dentro del control CNC (OSP-P300). La Figura 1 ilustra los principales componentes de error geométrico medidos.

3 Resultados y análisis

3.1 Mapeo de errores de precalibración

La medición láser reveló desviaciones geométricas significativas que contribuyen a una posible conicidad:

• Eje Z: Error de posición de +28 µm en Z=300 mm, acumulación de error de paso de -12 segundos de arco en un recorrido de 600 mm.

• Eje X: Error de guiñada de +8 segundos de arco en un recorrido de 300 mm.
  Estas desviaciones se alinean con los errores de conicidad de precalibración observados medidos en el eje de Ø50 x 300 mm, que se muestran en la Tabla 1. El patrón de error dominante indicó un aumento constante del diámetro hacia el extremo del contrapunto.

Tabla 1: Resultados de la medición del error de conicidad

3.2 Rendimiento posterior a la calibración

La implementación de los vectores de compensación derivados resultó en una reducción drástica del error de conicidad medido en ambos ejes de prueba (Tabla 1). El eje de Ø50x300 mm presentó una reducción de +16,8 µm/100 mm a +1,7 µm/100 mm, lo que representa una mejora del 89,9 %. De igual forma, el eje de Ø20x150 mm mostró una reducción de +14,3 µm/100 mm a +1,1 µm/100 mm (mejora del 92,3 %). La Figura 2 compara gráficamente los perfiles diametrales del eje de Ø50 mm antes y después de la calibración, lo que demuestra claramente la eliminación de la tendencia sistemática a la conicidad. Esta mejora supera los resultados típicos reportados para los métodos de compensación manual (p. ej., Zhang y Wang, 2022 reportaron una reducción de aproximadamente el 70 %) y destaca la eficacia de la compensación integral del error volumétrico.

4 Discusión

4.1 Interpretación de los resultados

La reducción significativa del error de conicidad valida directamente la hipótesis. El mecanismo principal es la corrección del error de posición del eje Z y la desviación del paso, que provocaban que la trayectoria de la herramienta se desviara de la trayectoria paralela ideal respecto al eje del husillo a medida que el carro se desplazaba en Z. La compensación anuló eficazmente esta divergencia. El error residual (<2 µm/100 mm) probablemente se deba a factores menos susceptibles a la compensación geométrica, como pequeños efectos térmicos durante el mecanizado, la deflexión de la herramienta bajo fuerzas de corte o la incertidumbre de la medición.

4.2 Limitaciones

Este estudio se centró en la compensación de errores geométricos en condiciones controladas de equilibrio casi térmico, típicas de un ciclo de calentamiento de producción. No modeló ni compensó explícitamente los errores inducidos térmicamente que ocurren durante ciclos de producción prolongados o fluctuaciones significativas de la temperatura ambiente. Además, no se evaluó la eficacia del protocolo en máquinas con desgaste severo o daños en las guías o husillos de bolas. El impacto de fuerzas de corte muy elevadas en la compensación de anulación también quedó fuera del alcance actual.

4.3 Implicaciones prácticas

El protocolo demostrado proporciona a los fabricantes un método robusto y repetible para lograr un torneado cilíndrico de alta precisión, esencial para aplicaciones en la industria aeroespacial, dispositivos médicos y componentes automotrices de alto rendimiento. Reduce las tasas de desperdicio asociadas con las no conformidades de conicidad y minimiza la dependencia de la habilidad del operador para la compensación manual. El requisito de la interferometría láser representa una inversión, pero se justifica para instalaciones que exigen tolerancias micrométricas.

5 Conclusión

Este estudio establece que la calibración sistemática de precisión, mediante interferometría láser para el mapeo de errores geométricos volumétricos y la posterior compensación del controlador CNC, es altamente efectiva para eliminar errores de conicidad en ejes torneados por CNC. Los resultados experimentales demostraron reducciones superiores al 89%, logrando una conicidad residual inferior a 2 µm/100 mm. El mecanismo principal es la compensación precisa de errores de posicionamiento lineal y desviaciones angulares (inclinación, guiñada) en los ejes de la máquina herramienta. Las conclusiones clave son:

1. El mapeo completo de errores geométricos es fundamental para identificar las desviaciones específicas que causan la conicidad.

2. La compensación directa de estas desviaciones dentro del controlador CNC proporciona una solución altamente efectiva.

3. El protocolo ofrece mejoras significativas en la precisión dimensional utilizando herramientas de metrología estándar.