Vyvažovanie CNC vretien a vyvažovanie držiakov nástrojov
Referenčný materiál pre strojníka na vyvažovanie vretena na mieste a korekciu držiaka nástroja – od kontroly, či je problémom skutočne nevyváženosť, až po overenie, či výsledok spĺňa ciele ISO. Zahŕňa vretená pre frézky, sústruhy a brúsenie.
Skutočné náklady na nevyvážené vreteno
Vreteno otáčajúce sa rýchlosťou 12 000 ot./min. vykoná 200 otáčok za sekundu. Ak je ťažisko posunuté len o 5 mikrónov od osi otáčania, výsledná odstredivá sila narazí na ložiská 200-krát za sekundu – a táto sila rastie s druhou mocninou otáčok. Zdvojnásobte otáčky, strojnásobte silu. Toto nie je metafora; je to fyzika, ktorá riadi každé vreteno v každom CNC stroji.
Účinky sa prejavujú rýchlo a merateľnými spôsobmi:
Vlnitosť, stopy po chvení, fazetovanie. Časti, ktoré by mali mať Ra 0,4 µm, majú Ra 0,6 µm alebo horšie.
Vibrácie spôsobujú mikroodštiepkovanie na karbidových hranách. Nástroje, ktoré by mali vydržať 60 minút, vydržia 20 – 30 minút.
Sady presných uhlových kontaktov (trieda P4/P2) + práca + 1–4 týždne prestojov stroja.
Ložiská vretena sú najdrahšou obeťou. Typická sada presných duplexných alebo triplexných ložísk pre vreteno s viac ako 12 000 otáčkami za minútu stojí 2 000 – 6 000 eur len za súčiastky. Pripočítajte k tomu prácu, nastavenie, zábeh a prestoje stroja – celková suma často dosahuje 8 000 – 25 000 eur. A ložiská nepokazia preťaženie, ale cyklické rázové zaťaženie, ktoré vytvára nerovnováha. Každá otáčka, každý náraz, každá hodina chodu stroja.
Najdrahším dôsledkom nie je ložisko – je to odpad. Vreteno bežiace o 0,5 mm/s nad prijateľnou rýchlosťou vibrácií môže produkovať diely, ktoré vyzerajú dobre, ale neprejdú rozmerovými kontrolami. Ak to odhalíte po 200 dieloch namiesto 20, stratili ste 10-krát viac materiálu a strojového času.
Vyvážené stupne ISO: Aký cieľ dosiahnuť
Predtým, ako si vyberiete vyvažovač, si definujte, čo znamená "vyvážený" pre vaše vreteno. Odpoveď závisí od otáčok, triedy ložiska a toho, čo obrábate.
Vyvážené stupne (ISO 1940-1 / ISO 21940-11)
Kvalita vyváženia sa vyjadruje ako stupeň G (mm/s) – povolená rýchlosť zvyškového posunutia ťažiska pri prevádzkovej rýchlosti. Nižšie G = užšia tolerancia = menej vibrácií.
| Trieda | Aplikácia | Typické použitie CNC strojov |
|---|---|---|
| G 6.3 | Všeobecné priemyselné hriadele, kladky, čerpadlá | Pre vretená zriedkavo postačujúce – len pri nízkych otáčkach na okraji |
| G 2.5 | Elektromotory, štandardné vretená strojov | Väčšina CNC frézovacích a sústružníckych centier s otáčkami pod 12 000 ot./min. |
| G 1.0 | Presné rotory, vysokorýchlostné stroje | HSC frézovacie vretená nad 12 000 ot./min., presné sústruhy |
| G 0.4 | Ultrapresné rotory | Brúsne vretená, súradnicové vyvrtávačky, ultrarýchlostné obrábanie |
Výpočet tolerancie
Prípustná zvyšková nevyváženosť (U_{\mathrm{per}}) (v g·mm) sa vypočíta z hmotnosti rotora a prevádzkových otáčok:
Príklad: Vreteno s hmotnosťou 20 kg pri 10 000 ot./min., trieda G 2,5:
\(U_{\mathrm{per}}\) = 9549 × 2,5 × 20 / 10 000 = 47,7 g·mm
To zodpovedá 0,48 g pri polomere 100 mm – menej ako pol gramu.
Pri G 1.0 klesne to isté vreteno na 19,1 g·mm — približne 0,2 g pri 100 mm. Pri 24 000 ot./min je tolerancia ešte 4× menšia.
Pre vretená s otáčkami nad 15 000 ot./min. sú tieto čísla veľmi malé. Držiak nástroja s hmotnosťou 5 kg pri 20 000 ot./min. a G 2,5 má toleranciu len 5,97 g·mm — čiastočka kovu. Preto vysokorýchlostné obrábanie vyžaduje obe vretená a vyváženie držiaka nástroja ako samostatné kroky.
Vyvažovanie vretena na mieste – krok za krokom
In-situ znamená "v polohe" – vreteno zostáva v stroji a otáča sa vo vlastných ložiskách. Toto je štandardná metóda pre CNC vretená, pretože zachytáva všetko, čo ovplyvňuje vibrácie: pohon, ložiská, upnutie, tepelný stav a skutočnú prevádzkovú rýchlosť. V dielni vyvážené vretená merané na ložiskách vyvažovacieho stroja často vibrujú po opätovnej inštalácii, pretože podmienky sú odlišné.
Vybavenie: Balanset-1A prenosný vyvažovač, notebook, akcelerometer, laserový tachometer, skúšobné závažia, korekčné závažia alebo nastavovacie skrutky, úchylkomer (na kontrolu hádzania).
Predbežná kontrola: Je to skutočne nerovnováha?
Pred vyvážením sa uistite, že dominantným zdrojom vibrácií je nevyváženosť. Dve rýchle kontroly:
Kontrola hádzania. Namontujte úchylkomer oproti kužeľu vretena a otáčajte ním ručne. Hádanie kužeľa by malo byť v rámci špecifikácie výrobcu stroja – zvyčajne < 0,002 mm pre HSK, < 0,005 mm pre BT/CAT. Ak je hádanie mimo špecifikácie, kužeľ je poškodený alebo znečistený. Najprv ho vyčistite.
Spektrum rýchlej premeny (FFT). Nechajte vreteno bežať na prevádzkových otáčkach a zachyťte vibračné spektrum pomocou prístroja Balanset-1A. Dominantný vrchol pri 1× ot./min = nevyváženosť. Silná energia pri 2× ot./min = nesprávne súosie. Vrcholy pri frekvenciách defektov ložiska (BPFO, BPFI) = poškodenie ložiska. Vyvažovanie opravuje iba zložku 1×. Ak vidíte iné dominantné frekvencie, najskôr sa zamerajte na ne.
Nainštalujte snímač a tachometer
Namontujte akcelerometer na puzdro vretena čo najbližšie k prednému ložisku. Použite magnetický držiak (odporúča sa) alebo čapový držiak pre nemagnetické puzdrá. Snímač musí byť pevne spojený – akákoľvek vôľa spôsobuje chybu merania.
Pripevnite reflexnú pásku na rotujúci povrch viditeľný pre laserový tachometer. Na CNC vretenách často funguje príruba držiaka nástroja alebo koniec oja. Umiestnite tachometer na magnetický stojan s priamym výhľadom. Pred pokračovaním overte stabilný údaj o otáčkach.
Pripojte oba k jednotke Balanset-1A, USB k notebooku a spustite softvér.
Trojstupňové vyvažovanie: počiatočné → skúšobné → korekčné
Spustenie 1 – Základná línia. Nechajte vreteno bežať na prevádzkových otáčkach (alebo otáčkach, pri ktorých sú vibrácie najvyššie). Zaznamenajte si amplitúdu a fázu vibrácií. Toto je vaše číslo "pred".
Beh 2 – Skúšobná váha. Zastavte vreteno. Nainštalujte známe skúšobné závažie na prístupné miesto – do závitového vyvažovacieho otvoru na prírube vretena alebo magnetické závažie na vyvažovací tŕň. Spustite vreteno a zaznamenajte nový vektor vibrácií. Amplitúda alebo fáza sa musí zmeniť aspoň o 20–30% od základnej hodnoty. Ak nie, zväčšite skúšobné závažie alebo ho presuňte na väčší polomer.
Výpočet. Softvér Balanset-1A vypočíta korekčnú hmotnosť a uhol z dvoch dátových bodov. Príklad výsledku: "14,2 g pri 237 °C" — čo znamená, že potrebujete korekciu 14,2 gramu pri uhle 237° od polohy skúšobného závažia v smere otáčania.
Použiť korekciu a overiť
Odstráňte skúšobné závažie. Vypočítanú korekciu nainštalujte jednou z týchto metód:
Nastavovacie skrutky — najbežnejšie pre CNC vretená s vyhradenými vyvažovacími otvormi v prírube alebo nosnom krúžku. Kalibrované závažia sa zaskrutkujú pod vypočítaným uhlom.
Vyvažovacie krúžky — dva excentrické krúžky, ktoré sa posúvajú po sebe. Ich otáčaním voči sebe sa vytvára čistý korekčný vektor. Bežné na brúsnych vretenách a vyvažovacích tŕňoch.
Odstraňovanie materiálu — vŕtanie kovu na ťažkom mieste. Nevratné, ale presné. Používa sa, keď vreteno nemá žiadne vyvažovacie zariadenia.
Spustenie 3 – Overenie. Spustite vreteno a zmerajte zvyškové vibrácie. Pre štandardné CNC frézovacie vreteno pri 12 000 ot./min je cieľová hodnota nižšia ako 0,5 mm/s. Pre presné brúsenie, nižšie 0,1 mm/s. Ak je výsledok nad cieľovou hodnotou, softvér navrhne korekciu – malé dodatočné závažie na jemné doladenie.
Frézovanie, sústruženie a brúsenie: Poznámky špecifické pre vreteno
Metóda skúšobného závažia je rovnaká pre všetky typy vretien. Líši sa prístup, metóda korekcie a stupeň vyváženia, na ktorý sa zameriavate.
Frézovacie vretená
Vysoké otáčky, variabilné rezné zaťaženie. Mnohé vretená majú zabudované vyvažovacie otvory v prírube hrotu. Nad 15 000 ot./min. ovplyvňuje roztiahnutie kužeľa v dôsledku odstredivého zaťaženia uloženie nástroja – rozhrania HSK prekonávajú rozhrania BT/CAT vďaka dvojitému kontaktu (kužeľ + čelná plocha). Nástroje sú často dominantným zdrojom nevyváženosti.
Vretená sústruhov
Zložitosť: skľučovadlo. Ťažké skľučovadlá s pohyblivými čeľusťami vytvárajú variabilnú nevyváženosť v závislosti od polohy čeľuste a upínacej sily obrobku. Vyvážte vreteno s nainštalovaným skľučovadlom. Mnohé skľučovadlá majú vyvažovacie otvory – použite ich. Pre pomocné vretá na viacosových sústruhoch je prístup ťažší; umiestnenie snímačov si naplánujte vopred.
Brúsne vretená
Najtesnejšie tolerancie. Brúsne kotúče menia vyváženie v dôsledku opotrebovania. Mnohé brúsky používajú automatické vyvažovacie hlavy – excentrické hmoty vo vnútri vretena, ktoré priebežne kompenzujú. Ak stroj nemá automatické vyvažovače, použite príruby kotúčov s posuvnými závažiami v prstencovej drážke alebo ich korigujte pomocou Balanset-1A a pevných závaží.
Vyvažovanie držiakov nástrojov
Nad 8 000 ot./min sa držiak nástroja stáva primárnym zdrojom nevyváženosti. Vreteno môže byť dokonale vyvážené a vibrácie budú stále neprijateľné, ak je zostava nástroja mimo špecifikácie. Pri viac ako 20 000 ot./min to nie je odporúčanie – je to fyzika situácie.
Odkiaľ pochádza nevyváženosť držiaka nástroja?
Asymetrický dizajn. Ploché upínacie prvky Weldon, skrutky s bočnou poistkou, drážky pre perá a geometrie utváračov triesok vytvárajú inherentnú hmotnostnú asymetriu. Držiak Weldon s bočnou skrutkou je konštrukčne merateľne nevyvážený – nikdy nebol určený pre otáčky nad 5 000 ot./min.
Excentricita výroby. Os kužeľa a os otvoru nie sú nikdy dokonale sústredné. Ani os otvoru nie je dokonale sústredná so stopkou nástroja. Každé rozhranie pridáva hádzanie a hmotnostné odsadenie.
Klieština a matica. Upínacie matice ER často prenášajú excentricitu zo závitu. Pri vysokej rýchlosti sa samotná matica stáva zdrojom vibrácií. Na prácu HSC používajte presne brúsené vyvážené matice.
Rezný nástroj. Jednobrité frézy, asymetrické rezné doštičky a nástroje s excentrickou geometriou pridávajú nevyváženosť, ktorú nedokáže odstrániť žiadna korekcia držiaka. Tieto nástroje majú praktický strop otáčok riadený ich vlastným rozložením hmotnosti.
Metódy vyvažovania
Vyvažovacie skrutky
Kalibrované skrutky rôznej hmotnosti zaskrutkované do určených otvorov v tele držiaka. Najbežnejšia metóda. Flexibilné – v tom istom držiaku môžete vyvažovať rôzne nástroje. Väčšina držiakov HSC sa dodáva s predvŕtanými vyvažovacími otvormi.
Excentrické vyvažovacie krúžky
Dva krúžky s excentrickou hmotnosťou. Ich otáčaním voči sebe vytvára čistý korekčný vektor v ľubovoľnom smere. Rýchle nastavenie, bez úberu kovu. Bežné na klieštinových upínačoch a modulárnych nástrojových systémoch.
Odoberanie materiálu (vŕtanie)
Nevratné – vyvŕtajte hmotu v najťažšom bode. Presné a trvalé. Praktické len pre držiaky určené pre jeden nástroj. Nie je vhodné, ak často meníte nástroje.
Držiaky na tepelné zmršťovanie
Prirodzene symetrický – držiak je plný valec bez upínacích mechanizmov. Zvyčajne vyžaduje minimálnu korekciu. Najlepšia voľba pre vysokorýchlostné obrábanie nad 20 000 ot./min. v kombinácii s vyváženými nástrojmi.
Krok 1: Vyvážte holé vreteno na mieste (Balanset-1A). Krok 2: Vyvážte každý držiak nástroja + zostavu nástroja na vertikálnom vyvažovacom stroji. Krok 3: Po vložení vyváženej zostavy do vretena overte konečné vibrácie na mieste. Ak sú obe hodnoty jednotlivo v rámci špecifikácie, kombinovaný výsledok je takmer vždy v rámci špecifikácie.
Správa z terénu: Vreteno HSC frézky pri 24 000 ot./min.
Subdodávateľ pre letecký priemysel v západnej Európe obrábal hliníkové konštrukčné komponenty na 5-osovom HSC centre – stroji s vretenom s priamym pohonom 24 000 ot./min. Po plánovanej výmene ložiska vreteno prešlo akceptačnou skúškou výrobcu stroja, ale dielňa si všimla dve veci: povrchová úprava kritických plôch sa zhoršila z Ra 0,4 na Ra 0,7 µm a karbidové frézy vydržali 25 minút namiesto obvyklých 55.
Servisný tím výrobcu stroja skontroloval zarovnanie a predpätie ložiska – obe hodnoty boli v súlade so špecifikáciou. Problémom bola zostatková nevyváženosť z výmeny ložiska. Nové ložiská majú mierne odlišné rozloženie hmotnosti ako stará sada a znovu zmontované vreteno už nebolo vyvážené do pôvodného stavu.
Na telese vretena sme nastavili Balanset-1A, spustili sme FFT pri 24 000 ot./min a potvrdili sme čistý vrchol 1× ot./min – učebnicová nevyváženosť. Počiatočné vibrácie: 4,2 mm/s na prednom ložisku. Pre vreteno pri tejto rýchlosti je cieľ pod 0,5 mm/s (G 1,0).
Jedna skúšobná prevádzka, jedna korekcia – nastavovacia skrutka s hmotnosťou 3,8 g nainštalovaná pod uhlom 194° vo vyvažovacom otvore na hrote vretena. Celkový čas procedúry: 55 minút vrátane nastavenia.
5-osové HSC centrum – vreteno s priamym pohonom 24 000 ot./min.
Obrábanie hliníka v leteckom priemysle. Vibračný nárast po plánovanej výmene ložiska. Akceptačná skúška výrobcu stroja prebehla úspešne, ale povrchová úprava a životnosť nástroja sa znížili.
Po korekcii sa povrchová úprava vrátila na Ra 0,38 µm. Životnosť nástroja sa vrátila na 50+ minút. Dielňa teraz meria vibrácie vretena po každej údržbe ložiska – 55-minútová kontrola, ktorá zabraňuje týždňom zhoršenej výroby.
Keď vyváženie neopravuje vibrácie
Dodržali ste postup, nainštalovali ste korekciu a vibrácie sú stále vysoké. Predtým, ako sa domnievate, že prístroj je chybný, skontrolujte tieto štyri bežné prekážky:
1. Štrukturálna rezonancia. Ak sa prevádzkové otáčky vretena zhodujú s prirodzenou frekvenciou konštrukcie stroja, vibrácie sa zosilňujú bez ohľadu na kvalitu vyváženia. Test: pomaly prepínajte z nízkych otáčok na prevádzkové otáčky a zároveň zaznamenávajte vibrácie. Ak pri určitých otáčkach vidíte ostrý nárast, ktorý klesá nad a pod nimi, ide o rezonanciu. Riešením nie je vyváženie – je to buď zmena prevádzkových otáčok o 5–10%, spevnenie konštrukcie alebo pridanie tlmenia.
2. Problémy s pružinou oja / Belleville. Ak sú pružiny Belleville, ktoré upínajú držiak nástroja, unavené alebo zlomené, nástroj nie je v kuželi pevne upevnený. To vytvára "plávajúcu" nerovnováhu – posúva sa pri každom uvoľnení a opätovnom upnutí. Vibrácie sa medzi jednotlivými cyklami náhodne menia. Žiadne množstvo vyváženia nedokáže kompenzovať mechanické uloženie, ktoré nie je opakovateľné.
3. Kontaminácia zúženia. Triesky, zvyšky chladiacej kvapaliny alebo mikrootrepy v kuželi vretena bránia úplnému usadeniu držiaka nástroja. Výsledkom je vysoká hádzavosť a vibrácie, ktoré sa menia s každou výmenou nástroja. Očistite kužeľ stieračom kužeľa a skontrolujte ho pruskou modrou (vzor kontaktu by mal byť po obvode >80%).
4. Chyba konvencie drážky pre pero. Pri vyvažovaní vretena, ktoré sa poháňa cez pero (staršie stroje, vretená poháňané remeňom), sa musí dodržiavať konvencia polovičného pera: rotor je vyvážený za predpokladu, že nesie polovicu drážky pre pero a protiľahlá časť (kladka, spojka) nesie druhú polovicu. Ak jedna strana predpokladá plné pero a druhá strana nepredpokladá žiadne pero, kombinovaná zostava bude nevyvážená.
Spustite skúška dojazduNechajte vreteno prirodzene spomaliť z prevádzkových otáčok a zároveň zaznamenávajte vibrácie v závislosti od otáčok. Ak vibrácie plynulo klesajú s rýchlosťou → nerovnováha (dobrý kandidát na vyváženie). Ak vibrácie pri určitých otáčkach počas spomaľovania prudko stúpajú → rezonancia. Ak sú vibrácie nepravidelné a neopakovateľné → problém s mechanickou vôľou alebo upnutím. Balanset-1A automaticky zaznamenáva údaje o dobehu.
Vybavenie: Špecifikácie Balanset-1A
Vyššie uvedený postup používa Balanset-1A prenosný vyvažovací systém. Relevantné špecifikácie pre prácu s vretenom:
Sada obsahuje dva akcelerometre, laserový tachometer, reflexnú pásku, magnetické držiaky, softvér na USB a prenosné puzdro. Žiadne predplatné. Žiadne opakujúce sa licenčné poplatky.
Vibrácie vretena vás stoja akosť povrchu a životnosť nástroja?
Balanset-1A pokrýva všetky CNC vretená od 100 do 100 000 ot./min. Jedno zariadenie. Žiadne opakujúce sa poplatky. 2-ročná záruka.
Často kladené otázky
Už ste nehádali – pripravení merať?
Balanset-1A. Jedno zariadenie pre každé vreteno – od CNC frézy po presnú brúsku. Dodávame do celého sveta prostredníctvom DHL. Bez predplatného.
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 komentárov