Балансиране на шпиндели и балансиране на държачи за инструменти на CNC машини
Справочник за машинен техник за балансиране на шпиндела на място и корекция на държача на инструменти — от проверка дали дисбалансът действително е проблемът до проверка дали резултатът отговаря на ISO целите. Обхваща фрезови, струговски и шлифовъчни шпиндели.
Реалната цена на небалансиран шпиндел
Шпиндел, въртящ се с 12 000 оборота в минута, прави 200 оборота в секунда. Ако центърът на масата е изместен само с 5 микрона от оста на въртене, получената центробежна сила удря лагерите 200 пъти в секунда – и тази сила нараства пропорционално на квадрата на скоростта. Удвоете оборотите в минута, учетворете силата. Това не е метафора; това е физиката, която управлява всеки шпиндел във всяка CNC машина.
Ефектите се проявяват бързо и по измерими начини:
Вълнообразност, следи от трептене, фасетиране. Частите, които трябва да са с Ra 0,4 µm, имат Ra 0,6 µm или по-лошо.
Вибрациите причиняват микроотчупване по карбидни ръбове. Инструменти, които би трябвало да издържат 60 минути, издържат 20–30 минути.
Комплекти прецизни ъглови контакти (клас P4/P2) + труд + 1–4 седмици престой на машината.
Лагерите на шпиндела са най-скъпата жертва. Типичен комплект прецизни дуплексни или триплексни лагери за шпиндел с над 12 000 оборота в минута струва 2 000–6 000 евро само за частите. Добавете труд, подравняване, разработка и престой на машината — общата сума често достига 8 000–25 000 евро. И лагерите се повреждат не от претоварване, а от цикличното ударно натоварване, което дисбалансът създава. При всяко завъртане, всеки удар, всеки час, в който машината работи.
Най-скъпата последица не е лагерът, а бракът. Шпиндел, работещ с 0,5 мм/с над допустимата вибрация, може да произведе части, които изглеждат добре, но не преминават проверките за размери. Ако го забележите след 200 части вместо след 20, сте загубили 10 пъти повече материал и машинно време.
ISO балансирани степени: Към каква цел да се стремим
Преди да изберете балансьор, дефинирайте какво означава "балансиран" за вашия шпиндел. Отговорът зависи от скоростта, класа на лагера и какво обработвате.
Степени на баланс (ISO 1940-1 / ISO 21940-11)
Качеството на баланса се изразява като степен G (mm/s) — допустимата скорост на остатъчното изместване на центъра на масата при работна скорост. По-ниско G = по-малък допуск = по-малко вибрации.
| Клас | Приложение | Типична употреба на CNC машини |
|---|---|---|
| G 6.3 | Общоиндустриални валове, шайби, помпи | Рядко достатъчно за шпиндели — гранично само при ниски обороти |
| G 2.5 | Електродвигатели, стандартни машинни шпиндели | Повечето CNC фрезови и стругови центрове имат под 12 000 оборота в минута |
| Г 1.0 | Прецизни ротори, високоскоростни машини | HSC фрезови шпиндели над 12 000 об/мин, прецизни стругове |
| G 0.4 | Ултрапрецизни ротори | Шлайфшпилки, координатно-променливи машини, ултрависокоскоростна обработка |
Изчисляване на допустимите отклонения
Допустимият остатъчен дисбаланс (U_{\mathrm{per}}) (в g·mm) се изчислява от масата на ротора и работната скорост:
Пример: 20 кг шпиндел при 10 000 об/мин, клас G 2.5:
\(U_{\mathrm{per}}\) = 9549 × 2,5 × 20 / 10 000 = 47,7 г·мм
Това е еквивалентно на 0,48 грама при радиус 100 мм - по-малко от половин грам.
При G 1.0, същото вретено пада до 19,1 г·мм — около 0,2 g при 100 mm. При 24 000 об/мин, толерансът е още 4 пъти по-малък.
За шпиндели над 15 000 об/мин, числата стават много малки. Държач за инструменти с тегло 5 кг при 20 000 об/мин и G 2,5 има толеранс от едва 5,97 г·мм — метална частица. Ето защо високоскоростната обработка изисква и двата шпиндела и балансиране на държача на инструменти като отделни стъпки.
Балансиране на шпиндела на място — стъпка по стъпка
"In-situ" означава „на място“ – шпинделът остава в машината, въртяйки се в собствените си лагери. Това е стандартният метод за CNC шпиндели, защото той улавя всичко, което влияе на вибрациите: задвижването, лагерите, затягането, термичното състояние и действителната работна скорост. Балансираните в цеха шпиндели, измерени върху лагерите на балансираща машина, често вибрират след повторно монтиране, защото условията са различни.
Оборудване: Balanset-1A преносим балансьор, лаптоп, акселерометър, лазерен тахометър, пробни тежести, корекционни тежести или винтове за настройка, индикатор с часовникова стрелка (за проверка на биене).
Предварителна проверка: Дали наистина е дисбаланс?
Преди балансиране, уверете се, че дисбалансът е доминиращият източник на вибрации. Две бързи проверки:
Проверка за биене. Монтирайте индикаторен часовник срещу конуса на шпиндела и го завъртете на ръка. Биенето на конуса трябва да е в рамките на спецификацията на производителя на машината — обикновено < 0,002 мм за HSK, < 0,005 мм за BT/CAT. Ако биенето е извън спецификацията, конусът е повреден или замърсен. Първо го почистете.
БПФ спектър. Пуснете шпиндела на работна скорост и заснемете вибрационния спектър с Balanset-1A. Доминиращ пик при 1× RPM = дисбаланс. Силна енергия при 2× RPM = несъосност. Пикове при честоти на дефект на лагера (BPFO, BPFI) = повреда на лагера. Балансирането коригира само 1× компонента. Ако видите други доминиращи честоти, първо се обърнете към тях.
Инсталирайте сензора и тахометъра
Монтирайте акселерометъра върху корпуса на шпиндела възможно най-близо до предния лагер. Използвайте магнитно крепление (за предпочитане) или шпилка за немагнитни корпуси. Сензорът трябва да бъде здраво свързан - всяко хлабаво закрепване води до грешка в измерването.
Прикрепете светлоотразителна лента към въртяща се повърхност, видима за лазерния тахометър. При CNC шпинделите фланецът на държача на инструмента или краят на теглича често е подходящ. Позиционирайте тахометъра върху магнитната му стойка с ясна видимост. Преди да продължите, проверете стабилното отчитане на оборотите.
Свържете и двете към устройството Balanset-1A, USB към лаптопа и стартирайте софтуера.
Трикратно балансиране: първоначално → пробно → корекционно
Изпълнение 1 — Базова линия. Пуснете шпиндела на работна скорост (или скорост, при която вибрациите са най-високи). Запишете амплитудата и фазата на вибрациите. Това е вашето число "преди".
Бягане 2 — Пробно тегло. Спрете шпиндела. Инсталирайте известна пробна тежест на достъпно място — резбован балансиращ отвор на фланеца на шпиндела или магнитна тежест върху балансираща ос. Стартирайте шпиндела и запишете новия вектор на вибрациите. Амплитудата или фазата трябва да се промени с поне 20–30% от базовата линия. Ако не, увеличете пробната тежест или я преместете на по-голям радиус.
Изчисление. Софтуерът Balanset-1A изчислява корекционната маса и ъгъл от двете точки с данни. Пример за резултат: "14,2 г при 237°" — което означава, че ви е необходима корекция от 14,2 грама на 237° от позицията на пробната тежест, по посока на въртене.
Приложете корекция и проверете
Отстранете пробната тежест. Инсталирайте изчислената корекция, като използвате един от следните методи:
Винтове за фиксиране — най-често срещан за CNC шпиндели със специални балансиращи отвори във фланеца или носния пръстен. Завинтете калибрираните маси под изчисления ъгъл.
Балансиращи пръстени — два ексцентрични пръстена, които се плъзгат един спрямо друг. Завъртането им един спрямо друг създава нетен корекционен вектор. Често срещан при шлифовъчни шпиндели и балансиращи оправки.
Отстраняване на материал — пробиване на метал в най-тежкото място. Необратимо, но прецизно. Използва се, когато шпинделът няма балансиращи механизми.
Изпълнение 3 — Проверка. Стартирайте шпиндела, измерете остатъчните вибрации. За стандартен CNC фрезов шпиндел при 12 000 об/мин, целта е под 0,5 мм/сек. За прецизно шлифоване, по-долу 0,1 мм/с. Ако резултатът е над целевия, софтуерът предлага корекция на изрязването — малка допълнителна тежест за фина настройка.
Фрезоване, струг и шлайфане: Бележки, специфични за шпиндела
Методът с пробно тегло е един и същ за всички типове шпиндели. Разликите са достъпът, методът на корекция и степента на балансиране, която желаете.
Фрезови шпиндели
Високи обороти, променливи режещи товари. Много шпиндели имат вградени балансиращи отвори във фланеца на носа. Над 15 000 об/мин, конусното разширение под центробежно натоварване влияе върху поставянето на инструмента — HSK интерфейсите превъзхождат BT/CAT поради двойния контакт (конус + чело). Инструменталната екипировка често е доминиращият източник на дисбаланс.
Шпиндели за стругове
Сложност: патронникът. Тежките патронници с подвижни челюсти създават променлив дисбаланс в зависимост от позицията на челюстта и силата на затягане на детайла. Балансирайте шпиндела с монтиран патронник. Много патронници имат балансиращи отвори — използвайте ги. За подшпиндели на многоосни стругове достъпът е по-ограничен; планирайте предварително разположението на сензорите.
Шлифовъчни шпиндели
Най-строги допуски. Шлифовъчните дискове променят баланса си с износването. Много шлифовъчни машини използват автоматични балансиращи глави - ексцентрични маси вътре в шпиндела, които компенсират непрекъснато. Ако машината няма автобалансер, използвайте фланци на дисковете с плъзгащи се тежести в пръстеновиден канал или коригирайте с Balanset-1A и фиксирани тежести.
Балансиране на държачите на инструменти
Над 8000 об/мин, държачът на инструмента се превръща в основен източник на дисбаланс. Шпинделът може да бъде перфектно балансиран, но вибрациите ще бъдат неприемливи, ако инструменталният възел не е в съответствие със спецификациите. При 20 000+ об/мин това не е препоръка – това е физиката на ситуацията.
Откъде идва дисбалансът на държача на инструмента?
Асиметричен дизайн. Плоските Weldon профили, винтовете със странично заключване, шпонковите канали и геометриите на стружкочупещите устройства създават присъща асиметрия на масата. Държач Weldon със страничен винт е измеримо небалансиран по дизайн — никога не е бил предназначен за скорости над 5000 об/мин.
Производствен ексцентрицитет. Оста на конуса и оста на отвора никога не са идеално концентрични. Нито пък оста на отвора е идеално концентрична с опашката на инструмента. Всеки интерфейс добавя биене и масово отместване.
Цангов скоба и гайка. Цанговите гайки ER често носят ексцентричност от резбата. При висока скорост самата гайка се превръща в източник на вибрации. Използвайте прецизно шлифовани балансирани гайки за HSC работа.
Режещият инструмент. Еднорежечните крайни фрези, асиметричните инструменти с вложки и инструментите с ексцентрична геометрия добавят дисбаланс, който никаква корекция на държача не може да елиминира. Тези инструменти имат практичен таван на оборотите, определян от собственото им разпределение на масата.
Методи за балансиране
Балансиращи винтове
Калибрирани винтове с различна маса, завинтени в предназначени за това отвори в тялото на държача. Най-разпространеният метод. Гъвкав — можете да балансирате отново за различни инструменти в един и същ държач. Повечето HSC държачи се предлагат с предварително пробити отвори за балансиране.
Ексцентрични балансиращи пръстени
Два пръстена с маса, разположена извън центъра. Завъртането им един спрямо друг създава нетен корекционен вектор във всяка посока. Бързо регулиране, без отстраняване на метал. Често срещано при цангови патронници и модулни инструментални системи.
Отстраняване на материал (пробиване)
Необратимо — пробиване на маса в най-тежката точка. Прецизно и трайно. Практично само за държачи, предназначени за един инструмент. Не е подходящо, ако често сменяте инструменти.
Държачи за термосвиваеми скоби
Естествено симетричен — държачът е плътен цилиндър без затягащи механизми. Обикновено изисква минимална корекция. Най-добрият избор за HSC над 20 000 об/мин, когато се комбинира с балансирани инструменти.
Стъпка 1: Балансирайте голия шпиндел на място (Balanset-1A). Стъпка 2: Балансирайте всеки държач за инструменти + инструментален възел на вертикална балансираща машина. Стъпка 3: След като поставите балансирания възел в шпиндела, проверете крайната вибрация на място. Ако и двете са в рамките на спецификацията поотделно, комбинираният резултат почти винаги е в рамките на спецификацията.
Доклад от полето: HSC фрезов шпиндел при 24 000 об/мин
Аерокосмически подизпълнител в Западна Европа обработваше алуминиеви структурни компоненти на 5-осен HSC център - машина със шпиндел с директно задвижване с 24 000 об/мин. След планирана подмяна на лагер, шпинделът премина приемателния тест на производителя на машината, но в цеха бяха забелязани две неща: повърхностното покритие на критичните повърхности се беше влошило от Ra 0,4 до Ra 0,7 µm, а карбидните фрези издържаха 25 минути вместо обичайните 55.
Сервизният екип на машиностроителя беше проверил центровката и предварителното натоварване на лагерите — и двете в съответствие със спецификацията. Проблемът беше остатъчен дисбаланс от смяната на лагера. Новите лагери имат малко по-различно разпределение на масата от стария комплект и повторно сглобеният шпиндел вече не беше балансиран в първоначалното си състояние.
Настроихме Balanset-1A върху корпуса на шпиндела, пуснахме FFT при 24 000 об/мин и потвърдихме чист пик от 1× об/мин — учебникарски дисбаланс. Начална вибрация: 4,2 мм/с на предния лагер. За шпиндел с тази скорост, целта е под 0,5 мм/с (G 1,0).
Едно пробно пускане, една корекция — 3,8 g установъчен винт, монтиран на 194° в отвора за балансиране на върха на шпиндела. Общо време на процедурата: 55 минути, включително настройката.
5-осен HSC център — шпиндел с директно задвижване 24 000 об/мин
Механична обработка на алуминий за аерокосмическата индустрия. Пик на вибрациите след планирана подмяна на лагери. Тестът за приемане от производителя на машини е преминал успешно, но повърхностната обработка и животът на инструмента са се влошили.
След корекцията, повърхностната обработка се върна до Ra 0,38 µm. Животът на инструмента се върна до 50+ минути. Цехът вече измерва вибрациите на шпиндела след всяка поддръжка на лагера - 55-минутна проверка, която предотвратява седмици на влошено производство.
Когато балансирането не коригира вибрациите
Следвали сте процедурата, инсталирали сте корекцията, но вибрациите все още са високи. Преди да предположите, че инструментът не е наред, проверете тези четири често срещани причини за вибрации:
1. Структурен резонанс. Ако работната скорост на шпиндела съвпада с естествената честота на структурата на машината, вибрациите се усилват, независимо от качеството на баланса. Тест: направете бавно увеличаване от ниски обороти до работна скорост, като същевременно записвате вибрациите. Ако видите остър пик при определени обороти, който спада над и под тях, това е резонанс. Решението не е балансиране - то е или промяна на работната скорост с 5–10%, втвърдяване на структурата или добавяне на демпфиране.
2. Проблеми с теглича / пружината на Белвил. Ако пружините Белвил, които затягат държача на инструмента, са уморени или счупени, инструментът не се закрепва здраво в конуса. Това създава "плаващ" дисбаланс – той се измества всеки път, когато разхлабвате и затягате отново. Вибрацията се променя произволно между циклите. Никакво балансиране не може да компенсира механично сглобяване, което не е повторяемо.
3. Замърсяване на конусността. Стружки, остатъци от охлаждаща течност или микро-стружки в конуса на шпиндела пречат на правилното прилягане на държача на инструмента. Резултатът: високо биене и вибрации, които се променят с всяка смяна на инструмента. Почистете конуса с чистачка за конус и проверете с пруско синьо (моделът на контакт трябва да е >80% по обиколката).
4. Грешка в конвенцията за шпонкови канали. При балансиране на шпиндел, който се задвижва през шпонка (по-стари машини, шпиндели с ремъчно задвижване), трябва да се спазва конвенцията за половин шпонка: роторът е балансиран, като се приема, че носи половината от шпонковия канал, а свързващата част (ролка, съединител) носи другата половина. Ако едната страна приеме пълна шпонка, а другата - никаква, комбинираният възел ще бъде небалансиран.
Изпълнете тест за движение по инерция: оставете шпиндела да забави естествено от работната скорост, като същевременно записвате вибрациите спрямо оборотите. Ако вибрациите спадат плавно със скоростта → дисбаланс (добър кандидат за балансиране). Ако вибрациите се покачват при определени обороти по време на забавяне → резонанс. Ако вибрациите са непостоянни и неповторими → проблем с механичната хлабина или затягане. Balanset-1A записва данните за движението по инерция автоматично.
Оборудване: Спецификации на Balanset-1A
Горната процедура използва Balanset-1A преносима система за балансиране. Съответни спецификации за работа със шпиндела:
Комплектът включва два акселерометъра, лазерен тахометър, светлоотразителна лента, магнитни стойки, софтуер на USB и калъф за носене. Без абонаменти. Без повтарящи се лицензионни такси.
Вибрацията на шпиндела ви струва ли качеството на повърхността и живота на инструмента?
Balanset-1A покрива всеки CNC шпиндел от 100 до 100 000 об/мин. Едно устройство. Без повтарящи се такси. 2-годишна гаранция.
Често задавани въпроси
Свършихте с гадаенето - готови ли сте за измерване?
Balanset-1A. Едно устройство за всяко вретено — от CNC фреза до прецизна шлифовъчна машина. Доставки по целия свят чрез DHL. Без абонаменти.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 
0 коментара