Vyvažování CNC vřetena a vyvažování držáků nástrojů
Referenční příručka pro strojníka pro vyvažování vřetena a korekci držáků nástrojů na místě – od kontroly, zda je problém skutečně v nevyváženosti, až po ověření, zda výsledek splňuje normy ISO. Zahrnuje vřetena pro frézky, soustruhy a broušení.
Skutečné náklady na nevyvážené vřeteno
Vřeteno otáčející se rychlostí 12 000 ot/min vykoná 200 otáček za sekundu. Pokud je těžiště posunuto o pouhých 5 mikronů od osy otáčení, výsledná odstředivá síla narazí na ložiska 200krát za sekundu – a tato síla roste s druhou mocninou otáček. Zdvojnásobte otáčky, zčtyřnásobte sílu. Toto není metafora; je to fyzika, která řídí každé vřeteno v každém CNC stroji.
Účinky se projevují rychle a měřitelně:
Vlnitost, stopy po chvění, fazetování. Díly, které by měly mít Ra 0,4 µm, mají Ra 0,6 µm nebo horší.
Vibrace způsobují mikroodštěpky na karbidových břitech. Nástroje, které by měly vydržet 60 minut, vydrží 20–30 minut.
Sady přesných kosoúhlých kontaktů (třída P4/P2) + práce + 1–4 týdny prostojů stroje.
Ložiska vřetena jsou nejdražší obětí. Typická sada přesných duplexních nebo triplexních ložisek pro vřeteno s více než 12 000 otáčkami za minutu stojí jen za díly 2 000–6 000 EUR. Připočtěte si práci, seřízení, záběh a prostoje stroje – celková částka často dosahuje 8 000–25 000 EUR. A ložiska selhávají nikoli v důsledku přetížení, ale v důsledku cyklického rázového zatížení, které nerovnováha vytváří. Při každé otáčce, každém nárazu, každé hodině provozu stroje.
Nejdražším důsledkem není ložisko – je to zmetkovitost. Vřeteno běžící o 0,5 mm/s nad přijatelnou rychlostí vibrací může produkovat díly, které vypadají dobře, ale neprojdou rozměrovými kontrolami. Pokud to odhalíte po 200 dílech místo 20, ztratili jste 10krát více materiálu a času obrábění stroje.
Vyvážené stupně ISO: Na jaký cíl se zaměřit
Než si vyberete vyvažovač, definujte si, co pro vaše vřeteno znamená "vyvážený". Odpověď závisí na otáčkách, třídě ložiska a na tom, co obrábíte.
Vyvážené stupně (ISO 1940-1 / ISO 21940-11)
Kvalita vyvážení se vyjadřuje jako stupeň G (mm/s) – přípustná rychlost zbytkového posunutí těžiště při provozní rychlosti. Nižší G = menší tolerance = menší vibrace.
| Stupeň | Aplikace | Typické použití CNC strojů |
|---|---|---|
| G 6.3 | Všeobecné průmyslové hřídele, řemenice, čerpadla | Pro vřetena zřídka dostačující – pouze při nízkých otáčkách na okraji |
| G 2.5 | Elektromotory, standardní vřetena strojů | Většina CNC frézovacích a soustružnických center s otáčkami pod 12 000 ot./min. |
| G 1.0 | Přesné rotory, vysokorychlostní stroje | HSC frézovací vřetena nad 12 000 ot./min, přesné soustruhy |
| G 0.4 | Ultrapřesné rotory | Brousicí vřetena, souřadnicové vyvrtávačky, ultrarychlostní obrábění |
Výpočet tolerance
Přípustná zbytková nevyváženost (U_{\mathrm{per}}) (v g·mm) se vypočítá z hmotnosti rotoru a provozních otáček:
Příklad: Vřeteno o hmotnosti 20 kg při 10 000 ot./min, třída pevnosti G 2,5:
\(U_{\mathrm{per}}\) = 9549 × 2,5 × 20 / 10 000 = 47,7 g·mm
To odpovídá 0,48 g v poloměru 100 mm – méně než půl gramu.
Při G 1.0 klesne stejné vřeteno na 19,1 g·mm — přibližně 0,2 g při 100 mm. Při 24 000 ot./min je tolerance ještě 4× menší.
Pro vřetena s otáčkami nad 15 000 ot./min jsou tato čísla velmi malá. Držák nástroje o hmotnosti 5 kg při 20 000 ot./min a G 2,5 má toleranci pouhých 5,97 g·mm — kousek kovu. Proto vysokorychlostní obrábění vyžaduje jak vřeteno a vyvažování držáků nástrojů jako samostatné kroky.
Vyvažování vřetena na místě – krok za krokem
In-situ znamená "v pozici" – vřeteno zůstává ve stroji a otáčí se ve vlastních ložiskách. Toto je standardní metoda pro CNC vřetena, protože zachycuje vše, co ovlivňuje vibrace: pohon, ložiska, upínání, tepelný stav a skutečnou provozní rychlost. Vřetena vyvážená v dílně, měřená na ložiskách vyvažovacího stroje, po opětovné instalaci často vibrují, protože podmínky jsou odlišné.
Zařízení: Balanset-1A přenosný vyvažovač, notebook, akcelerometr, laserový otáčkoměr, zkušební závaží, korekční závaží nebo stavěcí šrouby, úchylkoměr (pro kontrolu házivosti).
Předběžná kontrola: Je to skutečně nerovnováha?
Před vyvážením se ujistěte, že dominantním zdrojem vibrací je nevyváženost. Dvě rychlé kontroly:
Kontrola házení. Nasaďte úchylkoměr na kužel vřetena a otáčejte jím ručně. Házení kužele by mělo být v rámci specifikace výrobce stroje – obvykle < 0,002 mm pro HSK, < 0,005 mm pro BT/CAT. Pokud je házení mimo specifikaci, je kužel poškozený nebo znečištěný. Nejprve jej očistěte.
Spektrum rychlé přeměny (FFT). Nechte vřeteno běžet provozními otáčkami a zaznamenejte vibrační spektrum pomocí přístroje Balanset-1A. Dominantní vrchol při 1× ot./min = nevyváženost. Silná energie při 2× ot./min = nesouosost. Vrcholy na frekvencích vadných ložisek (BPFO, BPFI) = poškození ložiska. Vyvažování opravuje pouze složku 1×. Pokud vidíte jiné dominantní frekvence, řešte je nejprve.
Nainstalujte senzor a otáčkoměr
Namontujte akcelerometr na pouzdro vřetena co nejblíže k přednímu ložisku. Použijte magnetický držák (doporučeno) nebo u nemagnetických pouzder spojovací kolík. Snímač musí být pevně spojen – jakákoli vůle způsobuje chybu měření.
Na rotující povrch viditelný pro laserový otáčkoměr připevněte reflexní pásku. U CNC vřeten často funguje příruba držáku nástroje nebo konec tažné tyče. Umístěte otáčkoměr na magnetický stojan s volnou viditelností. Před pokračováním ověřte stabilní údaj o otáčkách.
Připojte oba k jednotce Balanset-1A, USB k notebooku a spusťte software.
Tříběhové vyvažování: počáteční → zkušební → korekční
Běh 1 – Základní linie. Nechte vřeteno běžet provozní rychlostí (nebo rychlostí, při které jsou vibrace nejvyšší). Zaznamenejte amplitudu a fázi vibrací. Toto je vaše číslo "před".
Běh 2 – Zkušební váha. Zastavte vřeteno. Nainstalujte známé zkušební závaží na přístupné místo – do závitového vyvažovacího otvoru na přírubě vřetena nebo magnetické závaží na vyvažovací trn. Spusťte vřeteno a zaznamenejte nový vektor vibrací. Amplituda nebo fáze se musí změnit alespoň o 20–30% od základní hodnoty. Pokud ne, zvyšte zkušební závaží nebo jej přesuňte na větší poloměr.
Výpočet. Software Balanset-1A vypočítá korekční hmotnost a úhel ze dvou datových bodů. Příklad výsledku: "14,2 g při 237 °C" — což znamená, že potřebujete korekci 14,2 gramu při úhlu 237° od polohy zkušebního závaží ve směru otáčení.
Použít korekci a ověřit
Odstraňte zkušební závaží. Vypočítanou korekci nainstalujte jednou z těchto metod:
Stavěcí šrouby — nejběžnější pro CNC vřetena s vyhrazenými vyvažovacími otvory v přírubě nebo nosním kroužku. Kalibrované závaží se zašroubují pod vypočítaným úhlem.
Vyvažovací kroužky — dva excentrické kroužky, které se posouvají po sobě. Jejich otáčením vůči sobě navzájem vzniká čistý korekční vektor. Běžné u brusných vřeten a vyvažovacích trnů.
Odstraňování materiálu — vyvrtávání kovu v těžkém místě. Nevratné, ale přesné. Používá se, když vřeteno nemá žádná vyvažovací zařízení.
Spuštění 3 – Ověření. Spusťte vřeteno a změřte zbytkové vibrace. Pro standardní CNC frézovací vřeteno s otáčkami 12 000 ot./min je cílová hodnota nižší než 0,5 mm/s. Pro přesné broušení, níže 0,1 mm/s. Pokud je výsledek nad cílovou hodnotou, software navrhne korekci oříznutí – malé přidání váhy k jemnému doladění.
Frézování, soustružení a broušení: Poznámky specifické pro vřetena
Metoda zkušebního závaží je stejná pro všechny typy vřeten. Liší se přístup, metoda korekce a třída vyvážení, na kterou se zaměřujete.
Frézovací vřetena
Vysoké otáčky, proměnné řezné zatížení. Mnoho vřeten má vestavěné vyvažovací otvory v přírubě špičky. Nad 15 000 ot./min ovlivňuje roztažnost kužele v důsledku odstředivého zatížení usazení nástroje – rozhraní HSK překonávají rozhraní BT/CAT díky dvojitému kontaktu (kužel + čelní plocha). Nástroje jsou často dominantním zdrojem nevyváženosti.
Vřetena soustruhu
Složitost: sklíčidlo. Těžká sklíčidla s pohyblivými čelistmi vytvářejí proměnnou nevyváženost v závislosti na poloze čelisti a upínací síle dílu. Vyvažte vřeteno s nainstalovaným sklíčidlem. Mnoho sklíčidel má vyvažovací otvory – použijte je. U protivřeten na víceosých soustruzích je přístup horší; naplánujte si umístění senzorů předem.
Brusná vřetena
Nejmenší tolerance. Brusné kotouče mění vyvážení s opotřebením. Mnoho brusek používá automatické vyvažovací hlavy – excentrické hmoty uvnitř vřetena, které průběžně kompenzují. Pokud stroj nemá automatické vyvažování, použijte příruby kotoučů s posuvnými závažími v prstencové drážce nebo proveďte korekci pomocí Balansetu-1A a pevných závaží.
Vyvažování držáků nástrojů
Nad 8 000 ot./min se držák nástroje stává primárním zdrojem nevyváženosti. Vřeteno může být dokonale vyváženo a vibrace budou stále nepřijatelné, pokud sestava nástroje neodpovídá specifikaci. Při více než 20 000 ot./min se nejedná o doporučení – jde o fyziku situace.
Odkud pochází nevyváženost držáku nástroje?
Asymetrický design. Ploché destičky Weldon, šrouby s bočním uzamčením, drážky pro pero a geometrie utvařeče třísek vytvářejí inherentní hmotnostní asymetrii. Držák Weldon s bočním šroubem je konstrukčně měřitelně nevyvážený – nikdy nebyl určen pro otáčky nad 5 000 ot./min.
Excentricita výroby. Osa kužele a osa otvoru nejsou nikdy dokonale soustředné. Ani osa otvoru není dokonale soustředná se stopkou nástroje. Každé rozhraní přidává házení a hmotnostní odsazení.
Kleština a matice. Kleštinové matice ER často nesou excentricitu závitu. Při vysoké rychlosti se samotná matice stává zdrojem vibrací. Pro práci s vysokorychlostním obráběním používejte přesně broušené vyvážené matice.
Řezný nástroj. Jednobřité frézy, asymetrické břitové destičky a nástroje s excentrickou geometrií přidávají nevyváženost, kterou žádná korekce držáku nedokáže odstranit. Tyto nástroje mají praktický strop otáček řízený jejich vlastním rozložením hmotnosti.
Metody vyvažování
Vyvažovací šrouby
Kalibrované šrouby různé hmotnosti zašroubované do určených otvorů v tělese držáku. Nejběžnější metoda. Flexibilní – můžete je vyvažovat pro různé nástroje ve stejném držáku. Většina držáků HSC má předvrtané vyvažovací otvory.
Excentrické vyvažovací kroužky
Dva kroužky s excentrickou hmotností. Jejich otáčením vůči sobě navzájem vzniká čistý korekční vektor v libovolném směru. Rychlé nastavení, bez úběru kovu. Běžné u kleštinových upínačů a modulárních nástrojových systémů.
Odebírání materiálu (vrtání)
Nevratné – odvrtejte hmotu v nejtěžším bodě. Přesné a trvalé. Praktické pouze pro držáky určené pro jeden nástroj. Není vhodné, pokud nástroje často měníte.
Držáky s tepelnou úpravou
Přirozeně symetrický – držák je plný válec bez upínacích mechanismů. Obvykle vyžaduje minimální korekci. Nejlepší volba pro vysokorychlostní obrábění nad 20 000 ot./min v kombinaci s vyváženými nástroji.
Krok 1: Vyvažte holé vřeteno na místě (Balanset-1A). Krok 2: Vyvažte každý držák nástroje + sestavu nástroje na vertikálním vyvažovacím stroji. Krok 3: Po vložení vyvážené sestavy do vřetena ověřte konečné vibrace na místě. Pokud jsou obě hodnoty jednotlivě v rámci specifikace, je kombinovaný výsledek téměř vždy v rámci specifikace.
Zpráva z terénu: Vřeteno HSC frézy při 24 000 ot./min.
Subdodavatel pro letecký průmysl v západní Evropě obráběl hliníkové konstrukční komponenty na 5osém HSC centru – stroji s vřetenem s přímým pohonem 24 000 ot./min. Po plánované výměně ložiska vřeteno prošlo přejímací zkouškou výrobce stroje, ale dílna si všimla dvou věcí: povrchová úprava kritických ploch se zhoršila z Ra 0,4 na Ra 0,7 µm a karbidové frézy vydržely 25 minut místo obvyklých 55.
Servisní tým výrobce stroje zkontroloval souosost a předpětí ložisek – obojí dle specifikace. Problémem byla zbytková nevyváženost z výměny ložiska. Nová ložiska mají mírně odlišné rozložení hmotnosti než stará sada a znovu smontované vřeteno již nebylo vyváženo do původního stavu.
Nastavili jsme Balanset-1A na pouzdře vřetena, spustili FFT při 24 000 ot./min a potvrdili jsme čistý vrchol 1× ot./min – učebnicová nevyváženost. Počáteční vibrace: 4,2 mm/s na předním ložisku. Pro vřeteno při této rychlosti je cílová hodnota pod 0,5 mm/s (G 1,0).
Jedna zkušební jízda, jedna korekce – stavěcí šroub o hmotnosti 3,8 g instalovaný pod úhlem 194° do vyvažovacího otvoru na špici vřetena. Celková doba postupu: 55 minut včetně nastavení.
5osé HSC centrum – vřeteno s přímým pohonem 24 000 ot./min.
Obrábění hliníku v leteckém průmyslu. Vibrační nárůst po plánované výměně ložiska. Přejímací zkouška výrobce stroje proběhla úspěšně, ale povrchová úprava a životnost nástroje se zhoršily.
Po korekci se povrchová úprava vrátila na Ra 0,38 µm. Životnost nástroje se vrátila na 50+ minut. Dílna nyní měří vibrace vřetena po každé údržbě ložiska – jedná se o 55minutovou kontrolu, která zabraňuje týdnům zhoršené výroby.
Když vyvážení neopraví vibrace
Dodrželi jste postup, nainstalovali jste korekci a vibrace jsou stále vysoké. Než se domníváte, že je přístroj chybný, zkontrolujte tyto čtyři běžné překážky:
1. Strukturální rezonance. Pokud se provozní otáčky vřetena shodují s vlastní frekvencí konstrukce stroje, vibrace se zesilují bez ohledu na kvalitu vyvážení. Test: proveďte pomalý náběh z nízkých otáček na provozní otáčky a zároveň zaznamenávejte vibrace. Pokud při určitých otáčkách vidíte ostrý nárůst, který klesá nad a pod nimi, jedná se o rezonanci. Řešením není vyvážení – jde buď o změnu provozních otáček o 5–10%, zpevnění konstrukce nebo přidání tlumení.
2. Problémy s tažnou ojí / pružinou Belleville. Pokud jsou pružiny Belleville, které upínají držák nástroje, opotřebované nebo zlomené, nástroj v kuželu pevně nesedne. To vytváří "plovoucí" nerovnováhu – posouvá se při každém uvolnění a opětovném upnutí. Vibrace se mezi jednotlivými běhy náhodně mění. Žádné množství vyvážení nemůže kompenzovat mechanické uložení, které není opakovatelné.
3. Kontaminace kužele. Třísky, zbytky chladicí kapaliny nebo mikrootřepy v kuželu vřetena brání úplnému usazení držáku nástroje. Důsledek: vysoká házivost a vibrace, které se mění s každou výměnou nástroje. Očistěte kužel stěračem a zkontrolujte berlínskou modří (vzor kontaktu by měl být po obvodu >80%).
4. Chyba konvence drážky pro pero. Při vyvažování vřetena, které je poháněno perem (starší stroje, vřetena s řemenovým pohonem), je nutné dodržovat konvenci polovičního pera: rotor je vyvážen za předpokladu, že nese polovinu drážky pro pero, a protilehlá část (řemenice, spojka) nese druhou polovinu. Pokud jedna strana předpokládá plné pero a druhá strana žádné pero, bude kombinovaná sestava nevyvážená.
Spusťte zkouška dojezduNechte vřeteno přirozeně zpomalovat z provozních otáček a zároveň zaznamenávejte vibrace v závislosti na otáčkách. Pokud vibrace plynule klesají s otáčkami → nevyváženost (vhodný kandidát pro vyvážení). Pokud vibrace během zpomalování při určitých otáčkách prudce stoupají → rezonance. Pokud jsou vibrace nepravidelné a neopakovatelné → problém s mechanickou vůlí nebo upnutím. Balanset-1A automaticky zaznamenává data o doběhu.
Zařízení: Specifikace Balanset-1A
Výše uvedený postup používá Balanset-1A přenosný vyvažovací systém. Relevantní specifikace pro práci s vřetenem:
Sada obsahuje dva akcelerometry, laserový otáčkoměr, reflexní pásku, magnetické držáky, software na USB a přepravní pouzdro. Žádné předplatné. Žádné opakující se licenční poplatky.
Vibrace vřetena vás stojí za povrchovou úpravu a životnost nástroje?
Balanset-1A pokrývá všechna CNC vřetena od 100 do 100 000 ot./min. Jedno zařízení. Žádné opakující se poplatky. Dvouletá záruka.
Často kladené otázky
Už jste dohadovali – připraveni měřit?
Balanset-1A. Jedno zařízení pro každé vřeteno – od CNC frézky po přesnou brusku. Dodáváme do celého světa prostřednictvím DHL. Bez předplatného.
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 komentářů