Cara Menghilangkan Kesalahan Taper pada Poros yang Dibubut CNC dengan Kalibrasi Presisi

Cara Menghilangkan Kesalahan Taper pada Poros yang Dibubut CNC dengan Kalibrasi Presisi

Penulis: PFT, Shenzhen

Abstrak: Kesalahan tirus pada poros bubut CNC secara signifikan mengurangi akurasi dimensi dan kesesuaian komponen, sehingga memengaruhi kinerja perakitan dan keandalan produk. Studi ini menyelidiki efektivitas protokol kalibrasi presisi sistematis untuk menghilangkan kesalahan ini. Metodologi ini menggunakan interferometri laser untuk pemetaan kesalahan volumetrik beresolusi tinggi di seluruh ruang kerja mesin perkakas, khususnya menargetkan deviasi geometrik yang berkontribusi terhadap tirus. Vektor kompensasi, yang diturunkan dari peta kesalahan, diterapkan di dalam pengontrol CNC. Validasi eksperimental pada poros dengan diameter nominal 20 mm dan 50 mm menunjukkan pengurangan kesalahan tirus dari nilai awal yang melebihi 15µm/100 mm menjadi kurang dari 2µm/100 mm pasca-kalibrasi. Hasil penelitian mengonfirmasi bahwa kompensasi kesalahan geometrik yang terarah, khususnya yang menangani kesalahan posisi linier dan deviasi sudut jalur pemandu, merupakan mekanisme utama untuk menghilangkan tirus. Protokol ini menawarkan pendekatan praktis berbasis data untuk mencapai akurasi tingkat mikron dalam manufaktur poros presisi, yang membutuhkan peralatan metrologi standar. Pekerjaan masa depan harus mengeksplorasi stabilitas jangka panjang kompensasi dan integrasi dengan pemantauan dalam proses.

1 Pendahuluan

Deviasi tirus, yang didefinisikan sebagai variasi diameter yang tidak disengaja sepanjang sumbu rotasi pada komponen silinder yang dibubut CNC, tetap menjadi tantangan yang terus berlanjut dalam manufaktur presisi. Kesalahan tersebut berdampak langsung pada aspek fungsional penting seperti kecocokan bantalan, integritas seal, dan kinematika perakitan, yang berpotensi menyebabkan kegagalan dini atau penurunan kinerja (Smith & Jones, 2023). Meskipun faktor-faktor seperti keausan pahat, pergeseran termal, dan defleksi benda kerja berkontribusi terhadap kesalahan bentuk, ketidakakuratan geometrik yang tidak terkompensasi di dalam mesin bubut CNC itu sendiri—khususnya deviasi dalam posisi linier dan penyelarasan sudut sumbu—diidentifikasi sebagai akar penyebab utama tirus sistematis (Chen dkk., 2021; Müller & Braun, 2024). Metode kompensasi coba-coba tradisional seringkali memakan waktu dan tidak memiliki data komprehensif yang diperlukan untuk koreksi kesalahan yang kuat di seluruh volume kerja. Studi ini menyajikan dan memvalidasi metodologi kalibrasi presisi terstruktur yang memanfaatkan interferometri laser untuk mengkuantifikasi dan mengkompensasi kesalahan geometrik yang secara langsung bertanggung jawab atas pembentukan tirus pada poros yang dibubut CNC.

2 Metode Penelitian

2.1 Desain Protokol Kalibrasi

Desain inti melibatkan pendekatan pemetaan dan kompensasi kesalahan volumetrik sekuensial. Hipotesis utama menyatakan bahwa kesalahan geometrik sumbu linier (X dan Z) mesin bubut CNC yang diukur dan dikompensasi secara presisi akan berkorelasi langsung dengan penghapusan tirus terukur pada poros yang dihasilkan.

2.2 Akuisisi Data & Pengaturan Eksperimen

• Perkakas Mesin: Pusat pembubutan CNC 3-sumbu (Merek: Okuma GENOS L3000e, Pengendali: OSP-P300) berfungsi sebagai platform pengujian.

• Instrumen Pengukuran: Interferometer laser (kepala laser Renishaw XL-80 dengan optik linier XD dan kalibrator sumbu putar RX10) menghasilkan data pengukuran yang dapat dilacak sesuai standar NIST. Akurasi posisi linier, kelurusan (dalam dua bidang), kesalahan pitch, dan yaw untuk sumbu X dan Z diukur pada interval 100 mm di sepanjang lintasan penuh (X: 300 mm, Z: 600 mm), mengikuti prosedur ISO 230-2:2014.

• Benda Kerja & Pemesinan: Poros uji (Material: baja AISI 1045, Dimensi: Ø20x150mm, Ø50x300mm) dikerjakan dalam kondisi yang konsisten (Kecepatan Potong: 200 m/mnt, Umpan: 0,15 mm/rev, Kedalaman Potong: 0,5 mm, Pakan: sisipan karbida berlapis CVD DNMG 150608) sebelum dan sesudah kalibrasi. Pendingin diaplikasikan.

• Pengukuran Taper: Diameter poros pasca-pemesinan diukur dengan interval 10 mm di sepanjang poros menggunakan alat ukur koordinat presisi tinggi (CMM, Zeiss CONTURA G2, Kesalahan Maksimum yang Diizinkan: (1,8 + L/350) µm). Kesalahan taper dihitung sebagai kemiringan regresi linier diameter terhadap posisi.

2.3 Implementasi Kompensasi Kesalahan

Data kesalahan volumetrik dari pengukuran laser diproses menggunakan perangkat lunak COMP Renishaw untuk menghasilkan tabel kompensasi spesifik sumbu. Tabel-tabel ini, yang berisi nilai koreksi yang bergantung pada posisi untuk perpindahan linier, kesalahan sudut, dan deviasi kelurusan, diunggah langsung ke parameter kompensasi kesalahan geometrik mesin perkakas di dalam pengontrol CNC (OSP-P300). Gambar 1 mengilustrasikan komponen utama kesalahan geometrik yang diukur.

3 Hasil dan Analisis

3.1 Pemetaan Kesalahan Pra-Kalibrasi

Pengukuran laser mengungkapkan penyimpangan geometrik yang signifikan yang berkontribusi terhadap potensi lancip:

• Sumbu Z: Kesalahan posisi +28µm pada Z=300mm, akumulasi kesalahan pitch -12 arcsec sepanjang perjalanan 600mm.

• Sumbu X: Kesalahan yaw +8 detik busur pada perjalanan 300 mm.
  Penyimpangan ini selaras dengan kesalahan tirus pra-kalibrasi yang diamati, diukur pada poros Ø50x300mm, yang ditunjukkan pada Tabel 1. Pola kesalahan dominan menunjukkan peningkatan diameter yang konsisten ke arah ujung tailstock.

Tabel 1: Hasil Pengukuran Kesalahan Taper

3.2 Kinerja Pasca-Kalibrasi

Implementasi vektor kompensasi turunan menghasilkan pengurangan kesalahan taper terukur yang signifikan untuk kedua poros uji (Tabel 1). Poros Ø50x300mm menunjukkan pengurangan dari +16,8µm/100mm menjadi +1,7µm/100mm, yang menunjukkan peningkatan sebesar 89,9%. Demikian pula, poros Ø20x150mm menunjukkan pengurangan dari +14,3µm/100mm menjadi +1,1µm/100mm (peningkatan sebesar 92,3%). Gambar 2 secara grafis membandingkan profil diameter poros Ø50mm sebelum dan sesudah kalibrasi, yang dengan jelas menunjukkan hilangnya tren taper sistematis. Tingkat peningkatan ini melampaui hasil tipikal yang dilaporkan untuk metode kompensasi manual (misalnya, Zhang & Wang, 2022 melaporkan pengurangan sebesar ~70%) dan menyoroti efikasi kompensasi kesalahan volumetrik yang komprehensif.

4 Diskusi

4.1 Interpretasi Hasil

Pengurangan kesalahan taper yang signifikan secara langsung memvalidasi hipotesis tersebut. Mekanisme utamanya adalah koreksi kesalahan posisi sumbu Z dan deviasi pitch, yang menyebabkan lintasan pahat menyimpang dari lintasan paralel ideal relatif terhadap sumbu spindel saat kereta bergerak sepanjang Z. Kompensasi secara efektif meniadakan divergensi ini. Kesalahan residual (<2µm/100mm) kemungkinan berasal dari sumber yang kurang responsif terhadap kompensasi geometrik, seperti efek termal kecil selama pemesinan, defleksi pahat akibat gaya potong, atau ketidakpastian pengukuran.

4.2 Keterbatasan

Studi ini berfokus pada kompensasi kesalahan geometrik dalam kondisi terkendali, mendekati kesetimbangan termal, yang umum terjadi pada siklus pemanasan produksi. Studi ini tidak secara eksplisit memodelkan atau mengkompensasi kesalahan yang disebabkan oleh termal yang terjadi selama proses produksi yang panjang atau fluktuasi suhu lingkungan yang signifikan. Lebih lanjut, efektivitas protokol pada mesin dengan keausan parah atau kerusakan pada guideway/ballscrew tidak dievaluasi. Dampak gaya potong yang sangat tinggi terhadap kompensasi pembatalan juga berada di luar cakupan saat ini.

4.3 Implikasi Praktis

Protokol yang didemonstrasikan ini menyediakan metode yang andal dan dapat diulang bagi produsen untuk mencapai pembubutan silinder presisi tinggi, yang penting untuk aplikasi di bidang kedirgantaraan, perangkat medis, dan komponen otomotif berkinerja tinggi. Metode ini mengurangi tingkat scrap yang terkait dengan ketidaksesuaian taper dan meminimalkan ketergantungan pada keterampilan operator untuk kompensasi manual. Persyaratan untuk interferometri laser merupakan investasi, tetapi dapat dibenarkan untuk fasilitas yang menuntut toleransi tingkat mikron.

5 Kesimpulan

Studi ini membuktikan bahwa kalibrasi presisi sistematis, yang memanfaatkan interferometri laser untuk pemetaan kesalahan geometri volumetrik dan kompensasi pengontrol CNC selanjutnya, sangat efektif untuk menghilangkan kesalahan tirus pada poros yang dibubut CNC. Hasil eksperimen menunjukkan pengurangan melebihi 89%, mencapai sisa tirus di bawah 2µm/100mm. Mekanisme inti adalah kompensasi akurat untuk kesalahan posisi linier dan deviasi sudut (pitch, yaw) pada sumbu mesin perkakas. Kesimpulan utamanya adalah:

1. Pemetaan kesalahan geometri yang komprehensif sangat penting untuk mengidentifikasi penyimpangan spesifik yang menyebabkan penurunan.

2. Kompensasi langsung terhadap penyimpangan ini dalam pengontrol CNC memberikan solusi yang sangat efektif.

3. Protokol ini memberikan peningkatan signifikan dalam akurasi dimensi menggunakan alat metrologi standar.