Työkalun tasapainotus ja kierrosluku

Kasvavien lastuamisnopeuksien ja tiukempien tasapainovaatimusten seurauksena kokonaisjärjestelmän (koneen karan, kiinnityslaitteen ja työkalun) tasapainoon kohdistuvat vaatimukset kiristyvät.

Työkalun tasapainovaatimukset

Työkalujen tasapainotuksesta standardin ISO 1940-1 mukaisesti tekee vielä haastavampaa se, että usein valitaan vaadittua parempi tasapainoluokka (esim. luokka G 2.5 luokan G 6.3 sijaan). Tämä lisää turhaan kustannuksia, eikä tasapainoluokkaa pystytä käytännössä useinkaan saavuttamaan.

Lisäksi karan epätasapainosta aiheutuvien kuormien kohdalla tulee ottaa huomioon, että dynaamiset lastuamisvoimat (esim. jyrsinnän luonteeltaan hakkaavasta lastuamisesta johtuen) ovat usein merkittävästi isompia kuin sallitusta jäännösepätasapainosta johtuvat voimat.Epätasapaino synnyttää keskipakovoiman, jonka suuruus riippuu epätasapainon suuruudesta ja karanopeudesta.

Standardin ISO 1940-1 tasapainovaatimuksia jäykille roottoreille (esim. sähkömoottorit) ei voida tarkoituksenmukaisesti soveltaa näihin kokonaisjärjestelmiin, koska karoilla, kiinnityslaitteilla ja työkaluilla on näistä olennaisesti poikkeavia ominaisuuksia:

• Kara, kiinnityslaite ja työkalu muodostavat järjestelmän, jossa esiintyy vaihteluita (esim. työkalunvaihdot koneistuskeskuksissa).
• Kiinnityksen radiaaliset ja kulmapoikkeamat aiheuttavat toistuvien karan työkaluvaihtojen yhteydessä muutoksia kokonaisjärjestelmän tasapainotilassa.
• Yksittäisten komponenttien (kara, kiinnityslaite ja työkalu) väliset yhteensovitustoleranssit rajoittavat tasapainotusprosessia.

Työkalujärjestelmän ja koneen karan välisen kiinnityksen epätarkkuudet rajoittavat tasapainotusolosuhteiden toistettavuutta, mikä tarkoittaa, että pyörivien työkalujärjestelmien tasapainotusvaatimuksissa on otettava kaikki olennaiset parametrit huomioon. Päätavoitteena on epätasapainosta johtuvien työstökoneen värinöiden, järjestelmäkuormituksen ja prosessihäiriöiden rajoittaminen.

Edellä mainituista olosuhteista johtuen pyörivien työkalujärjestelmien tasapainotusvaatimuksia on lähestyttävä uudesta näkökannasta. ISO 16084 -standardin vaatimuksissa pyörivien työkalujen tasapainotuksessa otetaan huomioon työkalun epätasapainon karan laakereihin aiheuttama todellinen kuorma.

Standardin mukaan epätasapainon aiheuttama laakerikuorma ei saa ylittää laakereiden dynaamista kantokykyä yli yhdellä prosentilla. Standardissa sallittu jäännösepätasapaino ilmoitetaan arvona g·mm. Työkalua ei luokitella mihinkään tasapainoluokkaan (G-arvo), kuten standardissa ISO 1940-1 – Balance quality requirements for rotors in a constant (rigid) state.

Tasapainotuksen perusteet

Pyörivän kappaleen epätasapaino voi johtua rakenteesta, materiaalista, valmistustoleransseista tai kokoonpanosta. Pyörivän kappaleen epätasapaino jakautuu yksilöllisesti sen pituudelle, myös sarjatuotannossa.

Tasapainotuksessa pyörivän kappaleen massan jakautuminen tarkistetaan ja tarvittaessa korjataan. Tällä varmistetaan, että karan laakereihin kohdistuva epätasapainovoima pysyy käyttönopeudella laakereiden kantokyvyn rajoissa ja että laakeripintojen värinä pysyy määritellyissä rajoissa.

Epätasapaino, U (g·mm)

Kertoo, kuinka paljon epäsymmetrisesti jakautunut massa poikkeaa radiaalisuunnassa pyörintäakselista (ks. oheinen kuva).

U = m × e

Epäkeskisyys, e (µm)

Pyörähdyskeskipisteen ja painopisteen välinen etäisyys, ks. alla oleva kuva.

e = U / m

Epätasapainovoima, F (N)

Epätasapaino synnyttää keskipakovoiman, joka kasvaa lineaarisesti epätasapainon kanssa ja pyörimisnopeuden neliönä, ks. keskipakovoima oheisessa kuvassa.

F = U × ω²

Tasapainotuksen perusteet

1. Pyörintäakseli
2. Painopiste
3. Epäkeskisyys
4. Epäsymmetrisesti jakautunut massa
5. Keskipakovoima

Tasapainotus

Ei-toivottujen keskipakovoimien kompensointi on mahdollista lisäämällä tai poistamalla ainetta siten, että painopiste siirtyy lähemmäksi pyörintäakselia, ks. kuvat alta.

Epätasapaino

1. Pyörintäakseli
2. Painopiste
3. Epäkeskisyys
4. Epäsymmetrisesti jakautunut massa

Tasapainottava reikä

1. Pyörintäakseli
2. Painopiste
3. Tasapainottava reikä
4. Epäsymmetrisesti jakautunut massa

Tasapainoluokka standardin ISO 1940-1 mukaisesti (G)

Kun työkalu luokitellaan standardin ISO 1940-1:n mukaisesti tasapainoluokkaan G 2.5 pyörintänopeudella 20 000 r/min, työkalun epätasapaino saa olla 1 gmm/kg (e = 1 µm) (ks. kaavio alla). Esimerkiksi Sandvik Coromant -tarran vaikutus on 4 gmm. ISO 1940-1 -standardi sallii samalla pyörimisnopeudella raskaalle työkalulle suuremman epätasapainon kuin kevyelle työkalulle. Näin siitä huolimatta, että erot epätasapainossa aiheuttavat erilaisia keskipakovoimia eikä järjestelmälle näin saada tasaista kuormitusta.

Standardissa ISO 1940-1 – Balance quality requirements for rotors in a constant (rigid) state G-arvo ilmaisee pyörivän kappaleen tasapainoluokan. G kertoo tangentiaalisen kiihtyvyyden painopisteessä suhteessa pyörimisnopeuteen. G riippuu pyörimisnopeudesta (n), massasta (m) ja epätasapainosta (U). Tasapainoluokkaa G ei voi määrittää, jos pyörimisnopeutta ei tiedetä.

Sallittu jäännösepätasapaino standardin ISO 1940-1 mukaisissa G-tasapainoluokissa

X-akseli: nopeus n, r/min

Y-akseli: sallittu jäännösepätasapaino, e_per, gmm/kg

Esimerkkilaskelma ISO 1940-1

Coromant Capto® C4 -pidin

• Tasapainoluokka: G2.5, kun karanopeus on 20 000 r/min.
• Työkalun massa: 1.0 kg
• Tasapainoluokan laskukaava
• Epäkeskisyys = heitto/työkalun massa

Sandvik Coromant -tarran vaikutus on 4 gmm

Tasapainotus standardin ISO 16084 mukaisesti

Tämä standardi on laadittu nimenomaan suurilla nopeuksilla pyöriviä lastuavia työkaluja varten. ISO 16084 -standardin vaatimuksissa pyörivien työkalujen tasapainotuksessa otetaan huomioon karan laakereihin kohdistuva todellinen kuormitus. Siinä ei käytetä G-luokkia vaan jokaiselle työkalulle annetaan hyväksytty epätasapainoarvo (U), jonka yksikkö on gmm.

Koska ISO 16084 koskee vain suurilla nopeuksilla pyöriviä lastuavia työkaluja, odotettavissa on todennäköisesti uusia ISO-standardeja.Tällöin työkalujärjestelmän epätasapainovaatimukset voidaan määritellä mielekkäämmin.Kuten edellä mainittiin, standardin epätasapainovaatimukset perustuvat todelliseen karan laakereihin kohdistuvaan kuormitukseen. Alla on ISO 16084 -standardin mukainen epätasapainon laskukaava.

Laskentaopas

1. Määritä karakartio (kullakin kartiolla on omat parametrit). Esim. Coromant Capto® C4 tai HSK-A63
2. Määritä koneistuvaihe Tavanomainen koneistus (fBAL = 0.8)Viimeistely (fBAL = 0.2)
3. Anna työkalukohtaiset parametrit Työkalun massa (mt)Etäisyys painopisteeseen (LCG)Työkalun pyörimisnopeus, R/MIN (n)
4. Laske suurin sallittu epätasapaino (U_STAT,PER)

Esimerkkilaskelma ISO 16084

1. Karakartio: HSK-A63 Cdyn = 25 000 N (suurin laakerikuorma)Am = 50 mm (karan pään laakeri)Lb = 415 mm (laakereiden väli)Es = 2.00 µm (työkaluvarren liitoksen epätarkkuus)UBM,TOL = 0.75 gmm (tasapainotuskoneen toleranssi)
2. Koneistusvaihe: viimeistely (f_BAL = 0.2)
3. Työkalukohtaiset parametrit: mt = 1.4 kgPyörintänopeus, n = 3500 r/minLCG = 75 mm
4. U_STAT,PER = 282 gmm