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工作機械QCの高口径

工作機械QCは大きな変化の先端にあります。ドイツのアーレンにあるAfMTechnologyの製品マネージャー兼アプリケーションエンジニアであるSteffenHailerによると、間もなく発行されるISO規格(ISO 230-13)は、工作機械を次のように校正できるプロセスを定義します。プロービング測定は品質部門が受け入れることができます。

これは、工作機械が通常のCMMと同じくらい正確であるという意味ではありません。ただし、製造部門とQC部門は同じ言語を話し、機械測定はQCに使用できます。その結果、プロセス制御が向上し、品質コストが低くなるという利点があります。

体積誤差補正(VEC)は、工作機械が許容可能なQCを実行できるようにするためのおそらく最も重要な要素です。ただし、最終検査にオフライン機器を使用している場合でも(通常はそうです)、VECの最新の方法は、複雑な部品の製造で高精度を確保するための最良のルートを提供します。

たとえば、メリーランド州ロックビルのAutomated Precision Inc.(API)の運用マネージャーであるArt Kietlinski氏は、同社の補償パッケージにより、多軸工作機械の体積精度が4倍から5倍向上すると述べています。時にはさらに大きな改善。 「通常、キャリブレーションの前に、ツールチップで最大体積誤差が0.3〜0.5ミリメートルのマシンが表示される場合があります。そして、キャリブレーション後、0.075前後になる可能性があります。 5軸マシンでは、43の考えられるエラーすべてを調べて改善しています。」 [43の可能な工作機械の逸脱の説明については、「高度なキャリブレーション、最適化で機械を正直に保つ」、製造エンジニアリング、2019年6月を参照してください。]

APIは、レーザートラッカーをアクティブターゲットと呼ばれるものと組み合わせることでこれを実現します、と製品管理およびマーケティング担当副社長のRonHicksは説明しました。 「アクティブターゲットは、スピンドルに取り付けられた小さな電動リフレクターです。これにより、レーザートラッカーは単一の機器位置から機械のツールチップ位置を正確に測定できます。」 VECプロセスは、測定プロセス中にマシンのすべての軸を介してスピンドルをリアルタイムで移動するため、これは重要であるとヒックス氏は指摘しました。これは、標準のレーザートラッカーリフレクターでは不可能です。これは、ビームがマシンのボリューム全体のさまざまなポイントで遮断されるためです。ヒックス氏は、「従来のレーザープロセスとは異なり、当社のシステムを工作機械の主軸に合わせる必要はありません。これには、速度と精度の点で劇的な利点があります…1日で2台のマシンを補正することができました。」

APIのシステムは、「考えられるすべてのマシンポーズ」を測定するため、Kietlinski氏は、マシンのボリュームが大きい場合(10 mなど)、250ポイントもプロットする可能性があると付け加えました。そこから、独自のソフトウェアが多項式の係数を生成し、各軸に必要なエラー修正を計算します。 Kietlinskiが説明したように、これは複雑な計算です。「エラーは必ずしも線形ではないからです。最終的には、解かなければならない2次または3次の多項式になる可能性があります。」

カリフォルニア州パームデールにあるノースロップグラマンの工場は、いくつかのサクセスストーリーの1つであるとヒックス氏は述べています。このプラントでは、大型の5軸ガントリーマシンを使用して、F-35胴体全体のすべてのトリムおよび穴あけを実行し、APIを毎年訪問して、各マシンでVECを実行しています。一方、Kietlinski、Lockheed Martin、Israeli Aerospaceは、APIもサービスを提供する水平方向の翼セクションを機械加工していると述べました。

制限があります。高品質の工具、プロトタイプ、および少量生産コンポーネントを製造しているミシガン州の会社への最近の訪問では、注意事項が紹介されています。

制限を理解する

Kietlinski氏は、ミシガン州の会社がAPIを招待して、「ほとんどのマシンとCMMの標準である」21のエラーマップに基づいて、すでにVECを受けた5軸マシンで機器のデモを行ったと述べました。 Kietlinskiが説明したように、「これらのキャリブレーションはすべて、マシンに剛体があることを前提としています。つまり、すべての角度誤差は、ボリュームを通過する軸の移動全体で同じになります。したがって、たとえば、ボリュームのどこでX軸を実行しても、ピッチ、ヨー、ロールのエラーを測定すると、同じ角度データが得られます。しかし、これらの大型マシンでは必ずしもそうとは限りません。」これは通常、レールが平行でないことが原因だと彼は言いました。これにより、マシンとそのドライブシステムにストレスが発生し、「負荷電流の上昇やその他の多くの問題」が発生します。

したがって、Kietlinskiが最初にチェックしたのは、直線軸の真直度でした。これには、レーザートラッカーを使用して1時間もかかりません。彼は、通常、真直度と、ピッチ、ヨー、ロール、直角度のエラーなどの他の幾何学的エラーとの間には直接的な関係があると付け加えました。「真っ直ぐでなければ、直角度を評価することすらできないからです」。この場合、彼は最大200〜250ミクロン(0.010インチ)のエラーを発見しました。 APIは、マシン上で完全な調整を実行しました。「ブリッジを緩め、機械的に二乗することさえできました。次に、21エラー訂正マップを適用しました。この時点で…角度誤差はマシン全体で同じであり、以前のキャリブレーションの10倍にマシンを改善することができました。」

これは主に、強化された機械的位置合わせによるものです、とKietlinskiは強調しました。 「機械を機械的に調整すればするほど、キャリブレーションの結果も良くなります。」逆に、「機械的に調整されていないマシンを使用して、ソフトウェアですべてを修正しようとすることはできません。」

処理中のエラーの修正

今説明した制限内で、VECはマシンの幾何学的な不正確さを著しく改善することができます。しかし、「作業の不正確さ」、つまり、操作上のストレス、熱の不安定性、およびその他の要因によって機械加工中に発生する追加のエラーについてはどうでしょうか。ニュージャージー州フランクリンレイクスの三井精機(米国)の最高執行責任者であるビル・マランチェ氏は、不正確さの主な原因を「動き、熱、デザインの喪失」と挙げています。ロストモーションは多くの側面で機能しますが、幾何学的な位置合わせとフィットによって要約できます。」 VECが他の要因に対処することで、熱の不安定性がおそらくインプロセスエラーの主な原因として浮上します。また、機械が大きいほど、実際の工具位置と公称工具位置のばらつきが大きくなる可能性があります。

この問題に対処するための1つのアプローチは、マシンの内部プローブを使用してその偏差を計算し、それを補正することです。コネチカット州ウィンザーのSelectMachiningTechnologiesの事業開発マネージャーであるDougSchulte氏は、同社のSoraluceマシンは、「いくつかの事前設定されたポイントで認定範囲を調査します。これは、多くの頭と軸の位置に対して行われます。次に、ソフトウェアは測定されたポイントをマシンのキネマティックモデルと比較し、マシンのジオメトリでツールの中心点を確保するために必要な補正を行います。」 Soraluceはこの機能をダイナミックヘッドキャリブレーション(DHC)と呼んでおり、Schulteはこれが5軸マシンの一般的な機能であると述べています。 [Manufacturing Engineeringは、2019年6月の記事でOkumaのバージョンを取り上げました。]

Soraluceマシンには通常、複数の2軸ヘッドが装備されており、DHCは測定サイクル全体で25〜30分かかります。これは、VECのような定期的な事前加工補正用に設計されています。しかし、Soraluceには、発生する可能性のあるインプロセスエラーを対象とするAccura Headsと呼ばれる追加機能があり、そのために1、2分しかかかりません。このオプションは同じプローブと測定球を使用しますが、機械加工プログラム内で実行されます、とSchulteは説明しました。

「特定の角度にあるパーツのフィーチャーに対処する予定で、その角度が非常に重要な場合は、Accura Headsルーチンを使用して、その特定の方向の角度とツールポイントの位置を確認できます。次に、その1つのツールのオフセットを作成します。その操作を実行する直前に、そのプローブサイクルを実行します。」

Schulteはまた、特定の機械設計でより厳しい公差を得るには、機械のサイズに応じて、ユーザーが切断する領域の近くに球を取り付ける必要があることを示しました。 「ソラルスは、縦方向の移動距離が60メートルを超える機械を製造しました」と彼は付け加えました。外部からの影響により、実際のポジショニングと公称ポジショニングの間にずれが生じる可能性があることは容易に想像できます。

機械加工/QCハンドシェイク

「補償された機械」を前提として、オペレーターは工作機械のプローブを使用してQC機能を実行する可能性を検討できます。新しいISO230-13規格は要件を定義し、CMMの規格であるISO10360を参照して定義します。 CMMが判断される主な仕様は、CMMの最大許容誤差(MPE)値です。検収試験では、ステップゲージまたは測定球と組み合わせたレーザーのいずれかを使用して、7つの方向(4つの体の対角線に加えてX、Y、Zに沿ってそれぞれ1つ)を測定します。テストに合格するには、最大偏差(E0)がMPEを超えてはなりません。

Hailerが説明したように、新しいISO規格は、工作機械の場合と同じように明確に検収試験手順と必要な値を定義していますが、それは機械製造業者にとっては新しい概念です。 「現時点では、MPEのサイズを知っている工作機械メーカーはありません。彼らはそのような値を決定するための手順を学び、それが何であるかを知る必要があります。これは、OEMが提供するサービスの1つです。」ビルダーが特定のマシンのこの値を決定し、CMMのインストールの場合と同じように現場で検証すると、ユーザーはマシンの最終部品検査を行うことができ、CMMに配置することはなく、部品を納品することができます。測定の正確さを文書化したレポートを顧客に提供します。

工作機械のMPEがエンドユーザーに受け入れられるかどうかは別の問題です。しかし、より高精度のマシンは、少なくとも一部のアプリケーションで満足のいくQCを実現する可能性が高いようです。これは特に非常に大きな部品に当てはまります、と三井精機の研削製品マネージャーであるビート・リースは観察しました。 「特に超高精度を実現したい場合は、大規模なCMMに多額の費用を支払います。数字は天文学的なものです。誰も経済的な解決策を提供できないようです。」

まだまだあります、とリースは言いました。 CMMまたは工作機械のMPEだけを知っているだけでは、航空宇宙または自動車の基準を満たすのに十分ではありません。これは、「部品に対して行われる各測定または検証の横に不確かさの値が必要」であるためです。そのため、多くの人がMPEだけを機械の「精度」と考えていますが、この図は、現実の世界で発生する測定のばらつきや追加の不正確さを捉えていません。たとえば、Ries氏は、次のように説明しています。したがって、CMMのMPEが1.9プラスL / 250ミクロンの場合、計算された不確かさは1メートルあたり3ミクロンになる可能性があります。 1メートルを超えて測定する場合、MPE値は、5.9ミクロン以内の精度を示します。ただし、不確かさの値を追加すると、実際にはプラスマイナス8.9ミクロン以内で測定していることがわかります。」

ミクロンの分割

測定を非常に真剣に受け止めているショップの1つは、コネチカット州ハムデンにある適切な名前のPrecision Grinding Solutions(PGS)です。プラット・アンド・ホイットニーのような大手OEMに加えて、Tier1およびTier2の航空宇宙サプライヤー向け。 PGSは、いくつかのプラットの場所のゲージを校正する契約も結んでいます。

PGSにはZeissPRISMOウルトラCMMがあり、リードはこれを「リファレンスクラス」マシンと呼んでいます。 CMMは0.5+L /500μmのE0を誇り、PGSは「昔ながらの方法の1つ」で不確実性の予算を決定してきました。既知のアーティファクトを取得します。たとえば、キャリブレーションに関与しているプラ​​ットゲージの1つを使用して、重要な機能を50回ほど測定します。次に、このデータの広がりを調べ、部屋の温度の変化などの要因を検討し、それらすべてを長年の公式に組み込んで、不確実性の数値を考え出します。」

現在、PGSは、測定の不確かさをさらに適切に処理するための新しい方法である仮想CMM(VCMM)を実装しています。リードは、VCMMはZeissのCalypsoエグゼクティブソフトウェアパッケージのプラグインモジュールであり、「レポートに、実行するすべての測定の不確実性を示す別の列を挿入できるようにする」と説明しました。さらに、レーザーキャリブレーションでは考慮されていない他のすべてのエラーもキャプチャします。

PGSはAfMと協力して、この取り組みに必要なデータを収集しています。リード氏によると、温度の変動や振動の追跡だけではありません。 「たとえば、細いシャフトの長いスタイラスを使用しているか、短いずんぐりしたスタイラスを使用しているかが考慮されます。機械の曲げの特徴はどのようなものですか?機械を測定するとき、実際の形状、はかり、ガイドの方法は何ですか…それらはすべてどのように見えますか?」 AfMは、さまざまなボールとステップを組み込んだ一連のアーティファクトを使用して一連の特別な測定を行うことにより、これらすべてを決定します。次に、エラーファイルがバックグラウンドで実行され、不確実性が判断されます。

要約すると、リードは次のように述べています。「VCMMは、システム全体と実験室の不確実性を調べるための、はるかに近代的で包括的な方法です。 1つのアーティファクトだけに基づいているわけではありません。これは、AfMが行っているすべての測定を通じて適格であり、ゲージをテストした1つのローカル領域だけでなく、CMMの測定ボリューム全体を適格としています。」

終了すると、リードはコメントしました。新しいレポートは、品質の画像をより悪く見せます。この機能をオンにすると、すべてのプログラムで実行されているすべての機能の不確実性がわかります。したがって、「ミクロン単位」であったはずの何かを測定し、不確実性を追加すると、おそらく1.15ミクロンになります。しかし、それはシステム全体の不確実性の本当の、真実の調査を提供します。」

リードのシステムはすでに優れています。 PGSにはトップフライトのCMMがあり、そのラボは華氏3分の1以内の温度安定性があります。しかし、不確実性を制限するために他の投資を行っています。「マシンの精度をより適切に制御するために、AfMのソフトウェアと測定アーティファクトを購入しました。 。 Zeissサービスで使用されているものと同じ700ミリメートルのステップエッジも購入しました。私たちの意図は、マシンが常にどこにあるかを理解することです。」

PGSは、時間のスナップショットのみを表すため、OEMからの年次キャリブレーションのみに依存することはなくなります。リード氏によると、これらの訪問にはかなりの費用がかかりますが、それでもマシンが一年中どのように機能しているか疑問に思う人がいます。 「OEMが1年以内に戻ってきて、「見つかった」キャリブレーションが仕様に含まれていない場合、マシンで受け入れていたすべての製品が問題になります。私たちはもはやそのリスクを冒すことをいとわない。 CMMの検査を毎週、または毎日行うようにしています。」


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