Værktøjsafbalancering og omdrejningstal

Øgede skærehastigheder i kombination med højere afbalanceringskrav stiller større krav til afbalancering af det totale værktøjssystem - maskinspindel, fastspændingsenhed og værktøj.

Krav til værktøjsafbalancering

Afbalancering iht. ISO 1940-1 forstærkes ofte ved også at vælge den næste, bedre afbalanceringskvalitet (f.eks. G 2.5 i stedet for G 6.3). Det er ofte ikke teknisk nødvendigt, og vil medfører højere omkostninger, men kan i mange tilfælde slet ikke opnås.

Et andet punkt, der skal tages højde for, for at kvalificere spindelbelastningen som følge af ubalance, er at de dynamiske skærekræfter (f.eks. som følge af afbrudt spån med en fræser) ofte er markant højere end centrifugalkræfterne, der skyldes den krævede, tilladte rest-ubalance. Ubalancen medfører en hastighedsafhængig harmonisk påvirkning af maskinens struktur, og størrelsen af centrifugalkræfternes påvirkning skyldes ubalancen og rotationshastigheden.

Kvalitetskravene til værktøjsafbalancering for stabile rotorer iht. ISO 1940-1 (f.eks. rotorer i elektromotore osv.) kan ikke anvendes tilsvarende på disse samlede systemer, fordi maskinspindler, fastspændingsenheder og værktøjer har markant forskellige egenskaber:

• Maskinværktøjsspindler, fastspændingsenheder og værktøjer er forskellige systemer (f.eks. med værktøjsskift i bearbejdningscentre)
• Som følge af de radiale og vinkelede unøjagtigheder i fastspændingen fører gentagne værktøjsskift i spindlen til forskellige afbalanceringsforhold for det samlede systeme
• Monteringstolerancer for de enkelte komponenter (spindel, fastspændingsenhed og værktøj) begrænser afbalanceringsprocessen

Unøjagtigheder i fastspændingen mellem værktøjssystem og værktøjsmaskinens spindel sætter grænser for gentagelsesnøjagtigheden af afbalanceringsforholdene, og på den baggrund skal afbalanceringskravene i roterende værktøjssystemer tage højde for alle væsentlige parametre. Hovedformålet er at begrænse maskin relaterede vibrationer p.g.a. ubalancen i forbindelse med systembelastninger samt procesinterferencer.

Ovenstående forhold fastlægger en ny løsning til at specificere kravene til afbalancering af roterende værktøjssystemer. DIN 16084-standarden indeholder krav om afbalancering af roterende værktøjssystemer på en måde, der tager højde for den aktuelle belastning af spindellejerne forårsaget af værktøjets ubalance.

DIN 16084 specificerer, at lejebelastningen forårsaget af ubalance ikke må overstige 1 % af lejernes dynamiske belastningsevne. I denne standard angives alle tilladte, egenubalancer i (g.mm) og tildeles ikke til et specifikt G-klasse-kvalitetsniveau i henhold til ISO 1940-1 - Kvalitetskrav til afbalancering af rotorer i konstant (fast) tilstand.

Teori om værktøjsafbalancering

Rotorubalance kan skyldes design, materiale, fremstilling og montering. Hver rotor har sin egen ubalancefordeling over sin længde, selv i en serieproduktion.

Afbalancering er en procedure, hvormed en rotors massefordeling kontrolleres og om nødvendigt justeres. Det sker ved at sikre, at den ubalancekraft, der påvirker spindellejerne ved servicehastighed, ligger inden for lejernes kapacitet. Vibrationen i sølerne kontrolleres også, så den ligger inden for de specificerede frekvensgrænser.

Ubalance, U (g.mm)

Er et mål, der specificerer, hvor meget asymmetrisk massefordeling afviger radialt fra rotationsaksen, se billedet nedenfor.

U = m × e

Excentricitet, e (µm)

Afstanden mellem omdrejningspunktet og tyngdepunktet, se billedet nedenfor.

e = U / m

Ubalancekraft, F (N)

Ubalancen skaber en centrifugalkraft, der øges lineært med ubalancen, og med kvadratet på antal omdrejninger, se centrifugalkraft i billedet nedenfor.

F = U × ω²

Teori om værktøjsafbalancering

1. Rotationsakse
2. Tyngdepunkt
3. Excentricitet
4. Asymmetrisk massefordeling
5. Centrifugalkraft

Kontravægt

For at kompensere uønskede centrifugalkræfter er det muligt at fjerne eller tilføje materiale, der er med til at føre tyngdepunktet hen mod rotationsaksen, se billederne nedenfor.

Ubalance

1. Rotationsakse
2. Tyngdepunkt
3. Excentricitet
4. Asymmetrisk massefordeling

Med boret kompensationshul som kontravægt

1. Rotationsakse
2. Tyngdepunkt
3. Boret kompensationshul
4. Asymmetrisk massefordeling

Balanceklasse iht. ISO 1940-1 (G)

Når et værktøj afbalanceres iht. ISO 1940-1 balanceringsklasse G 2.5 ved 20.000 o./min. er det tilladt at have en ubalance på 1 g.mm/kg (e=1 µm), se diagram 1 nedenfor. Som eksempel svarer en lille mærkat fra Sandvik Coromant til 4 g.mm. ISO 1940/1-standarden tillader større ubalance på en tungere værktøjsholder end på en lettere ved samme rotationshastighed. Det til trods for at forskellig ubalance skaber forskellige ubalancekræfter, hvorved der ikke opnås nogen konsistent systembelastning.

I henhold til ISO 1940-1 - Kvalitetskrav til afbalancering af rotorer i konstant (fast) tilstand, G er et mål for et roterende legemes afbalanceringskvalitet. G er den tangentielle hastighed i tyngdepunktscentret i forhold til rotationshastigheden. G er afhængig af rotationshastigheden (n), legemets masse (m) og ubalancen (U). G-klassen kan ikke bestemmes uden at kende rotationshastigheden.

Tilladt specifik restubalance for forskellige ISO 1940-1 G

X-akse: Servicehastighed n, o/min.

Y-akse: Tilladt specifik restubalance, e_per, g.mm/kg

Beregningseksempel ISO 1940-1

Coromant Capto® C4 værktøjsholder

• Balanceklasse: G2.5 ved 20.000 o/min.
• Værktøjets vægt: 1,0 kg
• Balanceklasse beregning
• Excentricitet = værktøjets ubalance/vægt

Sandvik Coromant mærkat svarer til 4 g.mm

afbalancering iht. ISO 16084

En standard skræddersyet til anvendelse af skærende højhastighedsværktøj. ISO 16084-standarden betyder, at det roterende værktøjssystem afbalanceres på en måde, der tager højde for den faktiske belastning, spindellejerne udsættes for, ved ikke at bruge de forskellige G-klasser, men i stedet giver en specifik værdi for den accepterede ubalance (U) for hvert værktøj i g.mm.

Da ISO 16084 er skræddersyet netop til anvendelse af skærende højhastighedsværktøjer, betyder det også, at der indføres en række nye parametre sammenlignet med den gamle ISO-standard. Det giver mulighed for en mere realistiske krav til ubalance i værktøjssystemet. Som nævnt er ubalancekravene udledt af den belastning, der reelt påvirker lejerne i spindlen, og det er grundlaget for hele standarden. Følgende er den fundamentale beregning for ISO 16084-standarden.

Trin for trin-guide til beregning

1. Find den pågældende spindelkobling (har individuelt definerede parametre). Eksempel: Coromant Capto® C4 eller HSK-A63
2. Find ud af, hvilken slags bearbejdning der er tale om Standardbearbejdning (fBAL = 0,8)Finbearbejdning (fBAL = 0,2)
3. Indtast værktøjets parametre Værktøjets vægt (mt)Længde til tyngdepunktet (LCG)Værktøjets rotationshastighed i o/min. (n)
4. Beregn maks. tilladt ubalance (U_STAT,PER)

Beregningseksempel ISO 16084

1. Identificer spindelkoblingen: HSK-A63 Cdyn = 25.000 N (maks. lejebelastning)Am = 50 mm (spindelnæseleje)Lb = 415 mm (længde mellem lejerne)Es = 2,00 µm (forbindelsesunøjagtighed i værktøjsskaftet)UBM,TOL = 0,75 g.mm (afbalanceringsmaskinens tolerance)
2. Fastlagt bearbejdning: Finbearbejdning, f_bal = 0,2
3. Specifikke parametre mt = 1,4 kgRotationshastighed, n=3500 o/min.LCG = 75 mm
4. U_STAT,PER = 282 g.mm