Балансиране на инструментални комплекти

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6/2015 • 18.12.2015

Балансиране на шлифовъчен диск: б - балансиращи маси
Балансиране на шлифовъчен диск: а - уред за балансиране
Схема на установяването на инструменталния комплект върху балансиращата машина
Методи за балансиране на инструменталния комплект
Видове дебаланс: в - динамичен
Видове дебаланс: б - моментов
Видове дебаланс: а - статичен
Схема на въртящ се инструментален комплект с небалансирана маса m

Балансирането на инструменталния комплект (инструментодържач и режещ инструмент) при металорежещите и дървообработващите машини е стъпка от подготовката на технологичния процес. Ако при обработка с честоти на въртене около 2000 min-1 това е с препоръчителен характер, при ротация с честота над 4000 min-1 балансирането е задължително.

Дебалансът характеризира неуравновесеността на инструменталния комплект. Дължи се на изместването на масовата ос на комплекта от неговата ос на ротация, за която се приема, че съвпада с геометричната ос. Казано по-опростено, дебаланс възниква тогава, когато центърът на тежестта на ротиращия комплект т.С не съвпада с неговия геометричен център т.О (фиг. 1).

При наличие на небалансирана маса 2 с големина m центърът на тежестта на напречното сечение на инструментодържач с маса M се измества на разстояние e (е-ексцентрицитет) в т.С. През т.С преминава главната централна инерционна ос на инструменталния комплект, наричана накратко масова ос. Разстоянието от т.О до небалансираната маса m се определя от радиуса на дебаланса R. Дебалансът числено се представя чрез величината U, изчислявана от произведенията U = m.R = М.е, където m се измерва в g (грам), М - в kg, R - в mm и е – в mm. Мерната единица за дебаланс U е g.mm (граммилиметър).

Дебалансът предизвиква допълнителна центробежна сила, която води до динамично натоварване на цялата технологична система - машина, инструмент, приспособление, заготовка. Главните последствия от това са влошаване качеството на обработваната повърхнина, съкращаване на експлоатационния ресурс на шпинделните лагери, намаляване на трайността на инструментите.

Големината на центробежната сила F се намира в зависимост от квадрата на честотата на въртене - десетократно увеличаване на честотата на въртене предизвиква нарастване на центробежната сила сто пъти.

Видове дебаланс при инструменталните комплекти
Познати са три вида дебаланс - статичен, моментов и динамичен.
Статичен дебаланс (фиг. 2а). Поражда центробежната сила F1, векторът на която лежи в равнината a заедно с оста на ротация. Под действие на центробежната сила масовата ос се измества успоредно на оста на ротация, оставайки в равнината a. Статичният дебаланс е най-често срещаният при шлифовъчните дискове и отстраняването му се извършва чрез „балансиране в една равнина”.

Моментов дебаланс (фиг. 2б). Поражда двоица центробежни сили F1 и F2, чиито вектори лежат в равнината a, преминаваща през оста на ротация. Под действие на момента на двоицата масовата ос се завърта спрямо оста на ротация в равнината a. Моментовият дебаланс е най-често срещаният при инструментални комплекти с малка дължина и маса и отстраняването му се извършва чрез „балансиране в една равнина”.

Динамичен дебаланс (фиг. 2в). Поражда центробежните сили F1 и F2, чиито вектори лежат поотделно в равнините a и b. Тези равнини преминават през оста на ротация. Под действие на центробежните сили масовата ос се завърта спрямо оста на ротация. За разлика от моментовия дебаланс, при динамичния завъртяната масова ос не пресича оста на ротация. Динамичният баланс е най-често срещаният при инструменталните комплекти за фрезова и пробивна обработка. Отстраняването му се извършва чрез „балансиране в две равнини”.

Принцип и качество на балансирането
Принципно балансирането се състои в добавянето или отнемането на маса с цел съвпадането на масовата с геометричната ос (оста на ротация) и се реализира по различни начини в зависимост от типа на инструменталния комплект и вида на дебаланса.

Балансирането на инструменталните комплекти се извършва извън машината с използване на различни по принцип на работа, сложност, точност и автоматизация уреди. Необходимо е да се има предвид, че това балансиране, колкото и точно да е то, не гарантира отсъствие на дебаланс при работата на инструменталния комплект върху машината, тъй като самото установяване на балансирания вече инструментален комплект в шпиндела става в рамките на допустимата грешка.

Това означава, че геометричната ос на инструменталния комплект може да се отклонява от действителната ос на работната ротация в рамките на допуска (няколко микрометра), което представлява фактически нов дебаланс.

Качеството на балансирането на инструменталните комплекти се определя от величина, обозначавана с индекса „G” съгласно стандарта ISO 1940/1. В съответствие с този стандарт инструменталните комплекти трябва да имат качество на балансиране G2,5. Препоръчителното качество на фабричното балансиране на шпинделите е G0,4.

Практиката на балансирането няма за цел да доведе до абсолютно съвпадение на масовата и геометричната ос, тъй като това излишно би усложнило и оскъпило процедурата. Затова се определя големината на максимално допустимия остатъчен дебаланс след балансирането. За целта се използват стандартни номограми, по които големината на остатъчния дебаланс се определя като функция от качеството на балансиране G и максималната честота на въртене nMAX.

Балансиране на инструментални комплекти за фрезова и пробивна обработка
Производителите на инструментодържачи следва да предлагат продукцията си в предварително балансирано състояние, което се постига чрез отнемане на материал от тялото на инструментодържача. Балансирането се извършва върху балансиращи машини с ЦПУ, при които процесът на измерване е интегриран с отнемащи материал операции - пробиване, фрезоване или шлифоване. Така при една установка на инструментодържача се извършва последователно определяне на дебаланса и отстраняването му.

При потребителя инструменталният комплект се формира чрез съединяване в необходимото работно състояние на инструментодържача и режещия инструмент. Източниците на дебаланс в комплекта могат да са едновременно и поотделно както в инструментодържача (поради некачествен баланс при производителя), така и в самия режещ инструмент, а също така в патронника на инструментодържача, в който се закрепва инструментът.

Основните източници са радиалното биене на базовата повърхнина на патронника спрямо базовия конус на инструментодържача, конструктивната несиметричност на режещия инструмент - несиметрично разположени площадки тип Weldon, фрези и свредла с един праволинеен стружкоотвежащ канал и др.

В практиката на фрезовата и пробивната обработка са се утвърдили три вида патронници за инструментодържачи от гледна точка на начина на затягане на режещия инструмент в тях: цангов, с хидропластово затягане и термопатронник. С оглед на радиалното биене и свързания с него дебаланс, най-подходящ за работа в условията на високи честоти на въртене е термопатронникът. Много добри показатели на дебаланса показва и хидропластовото затягане. Най-неблагоприятни са показателите при цанговите патронници. Основен източник на дебаланс при тях е затягащата гайка. Препоръчително е тя да се подлага на отделно балансиране.

Готовият за установяване в шпиндела на машината инструментален комплект се балансира върху балансиращи машини. Това трябва да се извършва редовно в хода на износването на режещата част и задължително след смяна на пластините. Тук отнемането на материал е недопустимо и следва да се оцени като вредна практика, тъй като след няколко балансирания инструментодържачът се поврежда. Принципът на балансиране в случая се състои в добавяне на балансираща маса.

За целта производителят на инструментодържача е предвидил някои конструктивни възможности за балансиране на инструменталния комплект при потребителя. Така се формират следните методи за отстраняване на дебаланса: дискретно (с винтове като балансираща маса, въвеждани в предварително подготвени радиални или аксиални отвори в инструментодържача; винтовете се доставят като отделен балансиращ комплект) и безстепенно (с пръстени или подвижни балансиращи маси, които се настройват плавно върху инструментодържача) (фиг. 3).

А. С балансиращи маси в аксиални резбови отвори. Инструментодържачът разполага с 8-12 аксиални резбови отвори, равномерно разположени по окръжност, концентрична на оста на симетрия на инструментодържача. В съответния отвор се въвежда винт 2 с необходимата за отстраняване на дебаланса маса.

Б. С балансиращи маси в радиални резбови отвори. Резбовите отвори (обикновено 6-32 на брой) са разположени радиално и в тях се навива винт 1 за отстраняване на дебаланса.
В. С балансиращи пръстени. Балансиращите пръстени 3 са с еднакъв фабричен дебаланс и се монтират и затягат по двойки за компенсиране на дебаланса в двете равнини. Първоначално пръстените се разполагат така, че техните небалансирани маси да са една срещу друга на 1800.

В това положение инструменталният комплект се установява в балансираща машина и се определя дебалансът. След това пръстените се настройват така, че дебалансът да се отстрани. Пръстените се фиксират в нужното положение с винтове (примерно, М4). Методът с балансиращите пръстени е по-бърз и по-точен от този с дискретно разположените резбови отвори благодарение на безстепенното настройване на положението на балансиращата маса. По аналогичен начин, вместо с пръстени, балансирането може да се изпълни с подвижни балансиращи маси, които след това се фиксират.

За балансирането се предпочитат вертикалните балансиращи машини. Управляваното от меню програмно осигуряване на машината облекчава въвеждането на геометричните данни и чрез интерактивен диалог с оператора подсказва следващата му стъпка. По този начин всеки оператор на металорежеща машина може да подготви инструменталния си комплект без да се изисква от него висока специализирана квалификация.

Инструменталният комплект 4 (фиг. 4) се базира и затяга в гнездото на преходния елемент 3, чийто базов конус съответства на базовия конус на инструментодържача. Преходният елемент 3 се установява в шпиндела 2, лагеруван в тялото 7 на балансиращата машина. Извършва се ротация с определена честота (например, от 300 до 1100 min-1).

Машината измерва големината и посоката на центробежните сили, създавани от дебаланса на инструменталния комплект; за целта обикновено се използват пиезоелектрически сензори за измерване на сила 8. Върху дисплея се показва големината и ъгловото положение на дебаланса в една или две равнини. Балансиращата машина може да има лазерен индикатор 6, разположен върху тялото 7, който генерира лазерен лъч 5.

Лазерният лъч 5 маркира зоната, в която трябва да се установи балансиращата маса. Процесът на балансиране отнема малко време; то е примерно две минути при използване на балансиращи пръстени. Инструменталните комплекти с голяма дължина задължително се балансират в две равнини. Късите и леки инструментални комплекти могат да се балансират и в една равнина.

Въпреки прецизно проведеното балансиране, по време на рязане може да се формира нов дебаланс, дължащ се на неточностите при установяване на инструменталния комплект в шпиндела на машината, обливането или преминаването през него на мажещо-охлаждаща течност, движението и задържането на обеми стружка в стружкоотвеждащите канали, огъването на инструмента (особено на свредлата с малък диаметър) и др.

Балансиране на шлифовъчни дискове
С оглед високите скорости на ротация, шлифовъчните дискове задължително се подлагат на балансиране. Тъй като при тях диаметърът е значително по-голям от дължината, дебалансът е статичен и отстраняването му се извършва чрез балансиране в една равнина. Причините за дебаланса са ексцентрицитет между периферията на диска и базовия отвор, неправилна форма на периферната повърхнина, нееднаква плътност на материала на диска.

До балансиране се допускат само дискове, които са без скрити дефекти като пукнатини и др.
Най-често използваният метод за балансиране е върху сравнително прост уред, показан на фиг. 5а. Състои се от вертикалните планки 2, свързани твърдо с основата 6, които завършват с прецизно обработени хоризонтални работни ръбове, притежаващи висока праволинейност, взаимна успоредност, равна височина и твърдост.

С регулиращите винтове 1 уредът се нивелира в двете хоризонтални равнини. Шлифовъчният диск 3, установен предварително върху специалния балансиращ дорник 5, се разполага върху работните ръбове на уреда. Привежда се леко с ръка в движение, след което дискът спира така, че отдолу се оказва най-тежката му част.

Балансирането се извършва с преместване на трите балансиращи маси 7 (фиг. 5б), разположени в пръстена 4 на диска. Извършват се последователни измервания и настройвания до момента, в който дискът започне да спира в безразлично равновесие. Балансиращите маси се фиксират, дискът е балансиран и се установява върху шпиндела на машината.

В някои балансиращи системи вместо преместващи се маси се използват няколко камери, в част от които се въвежда определена балансираща маса вода или мажещо-охлаждаща течност. Балансирането може да се извърши и върху машини за балансиране в една равнина.
Новият дебаланс, възникващ при установяването на балансирания шлифовъчен диск върху шпиндела на машината, може да бъде опасен за обслужващия персонал, оборудването и качеството на обработката, особено при много високи честоти на ротация.

Отстраняването му се постига чрез специални устройства за динамично балансиране върху самата машина, които настройват автоматично балансиращите маси на ротиращия с работна скорост шлифовъчен диск.

доц. д-р инж. Пламен Угринов

ЕКСКЛУЗИВНО

Top