Wyważenie i prędkość obrotowa

Wzrost prędkości skrawania w połączeniu z większymi wymogami odnośnie wyważenia sprawia, że trudniejsze stają się warunki wyważenia całego układu narzędziowego – wrzeciona obrabiarki, urządzenia mocującego i układu narzędziowego.

Wymagania odnośnie wyważenia narzędzia

Podczas wyważania zgodnie z normą ISO 1940-1 często przesadnie dąży się do uzyskania niewyważenia spełniające wymagania kolejnej w kolejności klasy (np. G 2.5 zamiast G 6.3). Nie tylko często nie jest to konieczne z technicznego punktu widzenia i kosztowne, lecz bywa także nieosiągalne.

Kolejną rzeczą, którą należy rozważyć w kontekście obciążenia wrzeciona z powodu niewyważenia jest fakt, że dynamiczne siły procesu skrawania (tzn. powodowane przez przerywane skrawanie frezem) są często znacznie większe od sił odśrodkowych powodowanych przez wymagane normą dopuszczalne niewyważenia resztkowe. Niewyważenie działa jak wzbudzanie drgań harmonicznych struktury obrabiarki, a natężenie wzbudzanej siły odśrodkowej wynika z niewyważenia i prędkości obrotowej.

Wymogów jakościowych odnośnie wyważenia narzędzi, określonych w normie ISO 1940-1 dla wirników sztywnych (np. wirników silników elektrycznych itd.), nie można zastosować prawidłowo w przypadku tych całościowych systemów, ponieważ wrzeciona obrabiarek, urządzenia mocujące i narzędzia mają zasadniczo odmienne właściwości:

• Wrzeciona obrabiarek, urządzenia mocujące i narzędzia to układy o zmiennych właściwościach (np. wskutek wymiany narzędzi w centrach obróbkowych)
• Z powodu promieniowych i kątowych niedokładności mocowania powtarzające się zmiany narzędzi wewnątrz wrzeciona powodują zmiany warunków wyważenia całych układów
• Wąskie tolerancje poszczególnych elementów (wrzeciona, uchwytu mocującego i narzędzia) ograniczają możliwości przeprowadzenia wyważenia

Niedokładności mocowania między układem narzędziowym i wrzecionem obrabiarki ograniczają powtarzalność warunków wyważenia i wobec tego wymogi odnośnie wyważenia obrotowych systemów narzędziowych muszą uwzględniać wszystkie istotne parametry. Głównym celem jest ograniczenie drgań i obciążeń układu związanych z niewyważeniem obrabiarki oraz interferencji między procesami.

Powyższe okoliczności wyznaczają nowe podejście do kwestii zdefiniowania wymogów odnośnie wyważenia obrotowych systemów narzędziowych. Norma ISO 16084 opisuje wymogi dotyczące niewyważenia narzędzi do zastosowań obrotowych z uwzględnieniem rzeczywistego obciążenia łożysk wrzeciona spowodowanych niewyważeniem narzędzia.

Norma ISO 16084 określa, że obciążenie łożysk spowodowane niewyważeniem nie może przekraczać 1% ich wytrzymałości na obciążenie dynamiczne. Dopuszczalne niewyważenie resztkowe jest w normie wyrażone w (g.mm), nie jest też przypisane do określonej klasy jakości G określonej normą ISO 1940-1 - Wyważenie wirników sztywnych.

Wyważenie narzędzia - zagadnienia teoretyczne

Niewyważenie wirnika może wynikać z jego konstrukcji, materiału, sposobu wykonania lub zamontowania. Dla każdego wirnika, nawet pochodzącego z produkcji seryjnej, niewyważenie jest inaczej rozłożone względem jego długości.

Procedura wyważenia polega na sprawdzeniu - i w razie potrzeby wyregulowaniu - rozkładu masy danego elementu. Ma to na celu zapewnienie, że siła niewyważenia działająca na łożyska wrzeciona przy eksploatacyjnej prędkości obrotowej nie przekracza wytrzymałości łożysk na obciążenie. Należy również kontrolować prędkości łożysk, aby mieściły się w określonych granicach częstotliwości.

Niewyważenie, U (g.mm)

Parametr określający odchylenie poprzeczne niesymetrycznie rozłożonej masy od osi obrotu - patrz rysunek poniżej.

U = m × e

Mimośrodowość, e (µm)

Odległość osi obrotu od środka ciężkości - patrz rysunek poniżej.

e = U / m

Siła niewyważenia, F (N)

Niewyważenie powoduje powstawanie siły odśrodkowej rosnącej liniowo wraz z wielkością niewyważenia i geometrycznie wraz z liczbą obrotów - patrz: siła odśrodkowa na poniższym rysunku.

F = U × ω²

Wyważenie narzędzia - zagadnienia teoretyczne

1. Oś obrotu
2. Środek ciężkości
3. Mimośrodowość
4. Niesymetrycznie rozłożona masa
5. Siła odśrodkowa

Kompensacja niewyważenia

W celu skompensowania niekorzystnych sił odśrodkowych dopuszcza się dodawanie lub ujmowanie materiału, od którego zależy umiejscowienie środka ciężkości względem osi obrotu, patrz rysunki poniżej.

Niewyważenie

1. Oś obrotu
2. Środek ciężkości
3. Mimośrodowość
4. Niesymetrycznie rozłożona masa

Kompensowanie przez nawiercenie otworu kompensującego

1. Oś obrotu
2. Środek ciężkości
3. Nawiercony otwór kompensujący
4. Niesymetrycznie rozłożona masa

Klasa wyważenia zgodnie z normą ISO 1940-1 (G)

Przy wyważaniu narzędzia zgodnie z klasą wyważenia G 2.5 przy 20 000 obr./min, określoną normą ISO 1940-1, dopuszczalne niewyważenie wynosi 1 g.mm/kg (e=1 µm); patrz wykres poniżej. Przykładowo mała naklejka Sandvik Coromant odpowiada niewyważeniu 4 g.mm. Zgodnie z normą ISO 1940-1 dla tej samej prędkości obrotowej dopuszczalne jest większe niewyważenie oprawek cięższych niż lżejszych. To sprawia, że przy różnym niewyważeniu działają różne siły niewyważenia, a obciążenie układu nie jest stałe.

Zgodnie z normą ISO 1940-1 Wyważenie wirników sztywnych, parametr G określa klasę wyważenia obracającego się obiektu. G to prędkość styczna w środku ciężkości, powiązana z prędkością obrotową. G zależy od prędkości obrotowej (n), masy obiektu (m) i niewyważenia (u). Nie jest możliwe określenie klasy wyważenia G, jeśli nieznana jest prędkość obrotowa.

Dopuszczalne właściwe niewyważenie resztkowe dla różnych klas niewyważenia G zgodnie z normą ISO 1940-1

Oś X: Eksploatacyjna prędkość obrotowa n, obr./min

Oś Y: Dopuszczalne właściwe niewyważenie resztkowe, e_per, g.mm/kg

Przykład obliczenia wg ISO 1940-1

Oprawka Coromant Capto® C4

• Klasa wyważenia: G2.5 przy 20000 obr./min
• Masa narzędzia: 1,0 kg
• Równanie klasy niewyważenia
• Mimośrodowość = Niewyważenie / masa narzędzia

Naklejka Sandvik Coromant odpowiada niewyważeniu 4 g.mm

Norma stworzona specjalnie z myślą o narzędziach skrawających z dużą prędkością. Norma ISO 16084 oznacza, że układ wirnika jest wyważony w sposób uwzględniający rzeczywiste obciążenie działające na łożyska wrzeciona, nie używa się w niej różnych klas G, lecz zamiast tego określa specyficzną wartość dopuszczalnego niewyważenia (U) dla każdego narzędzia w g.mm.

Ponieważ norma ISO 16084 powstała wyłącznie z myślą o zastosowaniu narzędzi skrawających z dużą prędkością, oznacza to wprowadzenie szeregu nowych parametrów w porównaniu ze starą normą ISO. Umożliwia to stworzenie bardziej realistycznych wymogów odnośnie niewyważenia układu narzędziowego. Jak wspomniano powyżej, wymogi odnośnie niewyważenia są pochodną obciążenia, które faktycznie oddziałuje na wrzeciono, co jest podstawą całej normy. Poniżej podano podstawowe równanie dla normy ISO 16084.

Poradnik obliczania krok po kroku

1. Określ, jakie złącze wrzeciona jest stosowane (ma indywidualnie określone parametry). Np. Coromant Capto® C4 lub HSK-A63
2. Określ, jakiego rodzaju obróbka ma zostać wykonana
   • Obróbka standardowa (fBAL = 0.8)
   • Obróbka precyzyjna (fBAL = 0.2)
3. Specyficzne parametry wejściowe dla narzędzia
   • Masa narzędzia (mt)
   • Stosunek długości do środka ciężkości (LCG)
   • Prędkość obrotowa narzędzia w obr./min (n)
4. Oblicz maksymalne dopuszczalne niewyważenie (U_STAT,PER)

Przykład obliczenia wg ISO 16084

1. Określ złącze wrzeciona: HSK-A63
   • Cdyn = 25 000 N (maksymalne obciążenie łożysk)
   • Am = 50 mm (łożysko końcówki wrzeciona)
   • Lb = 415 mm (dystans między łożyskami)
   • Es = 2,00 µm (niedokładność połączenia chwytu narzędzia)
   • UBM,TOL = 0,75 g.mm (tolerancja wyważenia obrabiarki)
2. Określony rodzaj obróbki: Obróbka precyzyjna, fbal = 0.2
3. Specyficzne parametry
   • mt = 1,4 kg
   • Prędkość obrotowa, n=3500 obr./min
   • LCG = 75 mm
4. U_STAT,PER = 282 g.mm