Equilibragem de rotores em tornos: Uma solução económica para melhorar a qualidade do produto
Na indústria moderna, onde a qualidade do produto é de extrema importância, balanceamento do rotor torna-se uma parte essencial do processo tecnológico. No entanto, a aquisição de equipamento especializado de equilíbrio pode ser dispendiosa para as pequenas e médias empresas. Neste artigo, exploramos a possibilidade de utilizar tornos para rotor equilíbrio, o que pode reduzir significativamente os custos com equipamento e melhorar a eficiência da produção.
O torno como ferramenta de equilibragem
The lathe, due to its design and functionality, can be successfully used for balancing rotors of various types and sizes. The main advantage of this approach is cost savings, as there is no need to purchase expensive specialized equipment. Additionally, using a lathe allows for balancing to be carried out directly during the rotor’s manufacturing process, which shortens production time and improves product quality.
Preparação para o equilíbrio
Antes de iniciar o processo de equilíbrio, devem ser tomadas várias medidas preparatórias:
- Escolher o torno adequado: O torno deve ter rigidez e precisão suficientes para garantir uma montagem fiável do rotor e medições precisas das vibrações.
- Instalação do sistema de medição: Para medir o rotor vibração no torno, uma equilibradora portátil como o Balanset-1A pode ser utilizado. Inclui sensores de vibração, um tacómetro, bem como software para análise de dados e cálculo da massa corretiva.
- Dealing with the spindle’s own unbalance: You do not have to balance the lathe spindle itself. Run the lathe with the chuck alone (rotor removed) and record the vibration vector: that is the baseline contributed by the spindle and chuck. If it is a significant fraction of the rotor reading, either subtract it, or — better — use the 180° index run (the “Mandrel eccentricity elimination” function, “F7 - Run Ecc”), which automatically separates everything that does not rotate with the rotor.
- Matching the rotor to the machine, not to the spindle: What matters is that the rotor’s unbalance force produces a measurable response on the bearing housings. A heavy, rigid lathe responds very little per gram of unbalance, so on a very light rotor the signal disappears in the noise, while a very heavy rotor may exceed the rated load of the chuck or the bearings. In practice, check that a properly sized trial weight gives a clean, repeatable amplitude and phase change before you trust any influence coefficient.
- Checking the runout of the rubber cover before balancing: On a rubberized shaft, mass unbalance and geometric runout of the covering are two different defects. Balancing cancels the 1× force; it cannot make an eccentric or oval cover round. Set a dial indicator against the covered surface and turn the shaft by hand: if the total indicated runout exceeds the product tolerance, grind or turn the cover concentric first — on the same lathe — and only then balance. A shaft that is balanced but still runs out will keep producing gauge bands, streaks and nip-pressure variation no matter how low the vibration reading gets.
Neste artigo, irei descrever em pormenor a nossa experiência e metodologia em equilíbrio dinâmico rubberized shafts on a lathe machine – a solution that, admittedly, I was initially skeptical of due to the inherent rigidity and substantial weight of such machinery. Surprisingly, the operation was seamlessly executed, achieving the G 6.3 balance quality grade (ISO 21940-11, formerly ISO 1940-1).
Processo de equilibragem do rotor num torno em teoria
O processo de equilibragem do rotor num torno envolve os seguintes passos:
Fixação do rotor
O rotor é montado de forma segura no mandril do torno ou em centros para garantir a estabilidade durante o processo de equilibragem.
Instalação de sensores
Fit one vibration sensor per correction plane — one on the headstock bearing housing and one on the tailstock or steady-rest housing — radially, as close to the bearing as possible, on a clean machined metal surface via a magnetic base. Do not mount sensors on the lathe bed, the apron or a guard: the 1× signal there is attenuated and dominated by the structure. Stick the fita refletora on a metal face (the shaft end or the chuck), not on the rubber covering, and aim the laser tachometer perpendicular to it.
Medição da vibração inicial
The initial vibration level is measured at the speed you will use for the whole job. All runs — Run 0, the trial runs and the trim run — must be made at the same speed, because the influence coefficients are only valid for the speed at which they were measured.
Accounting for Eccentricity (immediately after Run 0)
Fixture and mandrel excentricidade adds a vector to the Run 0 reading that is not unbalance, and correcting for it would be wrong. Deal with it before the trial weight, not afterwards: tick the “Mandrel eccentricity elimination” checkbox in the Balanset-1A software, complete Run 0, then rotate the rotor 180° in the fixture and press “F7 - Run Ecc”. The software takes the vector half-sum as the eccentricity and the vector half-difference as the true unbalance, and only then unlocks the trial run. Doing this after the correction weights are already welded on means recalculating and redoing them.
How big should a trial weight be?
A safe starting point is a weight whose centrifugal force stays within 5–10% of the rotor weight. As a formula:
mteste = k · M · g / (R · ω²), k = 0.05–0.10
onde M is the rotor mass (kg), g = 9.81 m/s², R is the mounting radius of the weight (m), and ω = 2π·RPM/60 (rad/s). Example: a 50 kg rotor at 3,000 rpm with the weight at R = 0.2 m gives m ≈ 0.07·50·9.81/(0.2·314²) ≈ 1.7 g — grams, not hundreds of grams. That looks surprisingly small for a 50 kg rotor, but check the force: at 3,000 rpm those 1.7 g already pull F = m·R·ω² ≈ 34 N — about 7% of the rotor’s weight. Starting small is the point: stepping up is cheap, while an oversized weight is a real load on bearings and welds. The same force check works in reverse for any weight you are about to bolt on.
You don’t have to compute this by hand: the Balanset software includes a First Trial Weight Estimator that recommends both the mass and the starting angle from your rotor data, and a Teste de colisão to check that you are not working near a natural frequency.
A good trial weight changes the reading by at least 20–30% in amplitude or 20–30° in phase. If the response is smaller, increase the weight stepwise — never jump straight to a heavy weight “to see something happen.”
Installing a Trial Weight
A peso de teste of known mass is installed on the rotor, and the vibration is measured again. For two-plane balancing this is done in each plane in turn — a trial run with the weight in plane 1 (Run 1), then a trial run with the weight in plane 2 (Run 2) — so the software can measure the influence of each correction plane separately.
Cálculo das massas de correção
O software Balanset-1A analisa os resultados da medição e calcula as massas correctivas necessárias e os respectivos ângulos de colocação.
Correção da massa do rotor
Dependendo do desenho do rotor e das capacidades do torno, a correção de massa pode ser realizada por perfuração, fresagem, soldadura ou outros métodos.
Verificação do equilíbrio
Após as correcções, é efectuada uma medição das vibrações de controlo. O processo é repetido, se necessário, até se atingir o nível de equilíbrio pretendido.
Dynamic Balancing in Practice
- Frequência de rotação: Typically, the working rotation speed of these shafts ranges between 300 to 500 revolutions per minute (rpm). In this particular case, we carried out the balancing at 550 rpm.
- Instalação: O eixo emborrachado foi montado na máquina de torno, seguido da colocação estratégica de sensores, conforme ilustrado nas fotografias em anexo.
Equilibragem dinâmica no local de eixos com borracha usando uma máquina de torno
Equilibragem dinâmica de eixos com borracha
- Leituras iniciais de vibração: Antes do equilíbrio, o inicial vibration readings stood at 9 mm/s and 17 mm/s.
- Trial Runs: A two-plane job needs a trial run in each plane in turn — Run 1 with the weight in plane 1, then Run 2 with the weight in plane 2. A trial weight of 340 grams was welded on; it altered the vibration and fase readings by roughly 10%. Treat such a response as a bare minimum: for a clear, confident measurement we normally aim for a trial weight that shifts the vibration vector by 25–50%, but a heavy, rigid lathe responds very little per gram of trial mass.
- Ajustamentos de equilíbrio: Post the trial runs with the trial weight, our Balanset-1A instrument indicated the need for the addition of 3100 grams on one side of the shaft and 4300 grams on the other, corresponding to corrections in dois planos. After these adjustments, vibration levels decreased to 2 mm/s and 4 mm/s.
Equilibragem dinâmica no local de eixos com borracha usando uma máquina de torno
Equilibragem dinâmica no local de eixos com borracha usando uma máquina de torno
- Afinação: To further optimize results, we proceeded to add weights of 400 grams and 700 grams. Subsequently, another round of fine-tuning was executed by adding 200 grams and 400 grams. Due to spatial constraints, the weights were welded atop one another. Ultimately, these temporary weights were replaced with precision-cut, aesthetically pleasing counterweights crafted specifically for this shaft. The final vibration readings were an impressive 0.1 mm/s in both planes (a rounded figure — below 1 mm/s the instrument itself displays readings to three decimal places).
Equilibragem dinâmica no local de eixos com borracha usando uma máquina de torno
Equilibragem dinâmica no local de eixos com borracha usando uma máquina de torno
Equilibragem dinâmica no local de eixos com borracha usando uma máquina de torno
Vantagens da equilibragem de rotores em tornos
Custo-eficácia
A utilização de um torno para efetuar a equilibragem evita as despesas de aquisição de equipamento de equilibragem especializado.
Conveniência
O equilíbrio pode ser efectuado diretamente durante o processo de fabrico do rotor, reduzindo o tempo de produção.
Alta qualidade
As equilibradoras portáteis modernas, como a Balanset-1A, proporcionam alta precisão de equilibragem, permitindo baixos níveis de vibração e melhor qualidade do produto.
Conclusão
A equilibragem de rotores em tornos é uma solução eficaz e económica para as empresas que procuram melhorar a qualidade dos produtos e reduzir os custos de produção. A utilização de balanceadoras portáteis como a Balanset-1A torna este processo simples e acessível, mesmo para pequenas oficinas.
Lembretes importantes
- Para obter os melhores resultados, recomenda-se a utilização de instrumentos de medição de alta qualidade e o cumprimento rigoroso do procedimento de equilíbrio. É possível estimar o valor admissível desequilíbrio residual para o seu rotor com o nosso calculadora de desequilíbrio residual (ISO 1940).
A equilibragem de rotores em tornos é um passo em direção ao futuro da sua produção, que compensa através da melhoria da qualidade dos produtos, da redução dos custos e do aumento da competitividade da sua empresa.
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