Как устраняют дисбаланс фрезерного инструмента

Балансировка валов шпинделей

На сегодняшний день, использование высокой скорости при обработке материалов является скорее правилом, нежели исключением. Высокоскоростное оборудование применяется повсеместно для достижения более высокого качества продукции и увеличения объемов производства. Но, высокопроизводительная и высокоскоростная обработка предъявляет дополнительные требования как, к инструменту, посредством которого она осуществляется, так и к оборудованию на котором непосредственно установлен этот инструмент.

Основным элементом высокоскоростного оборудования, отвечающим за обработку поверхностей заготовки, является шпиндель. И именно его вибрация, лежит в основе ухудшения качества производимой продукции. Каким бы высоким качеством не обладал инструмент, вибрация (биение) шпинделя может свести «на нет» все преимущества его использования.

Основной причиной, вызывающей вибрацию, является дисбаланс вала (ротора) шпинделя, который, как правило, вызван неравномерным распределением массы вокруг оси его вращения и приводит к смещению главной оси инерции (центра масс). При хорошей балансировке эти оси совпадают.

Существует два основных типа балансировки: статическая и динамическая.

Статическая балансировка устраняет главный вектор дисбалансов, но, при этом, не устраняет главный момент дисбалансов.

В отличие от статической, динамическая балансировка предполагает определение главного вектора дисбаланса и главного момента дисбаланса и разбиение их на две плоскости коррекции. Только скорректировав дисбаланс в двух плоскостях можно получить полностью сбалансированный ротор (вал).

ООО «Дорн» оказывает услуги по динамической балансировке повышенной точности (в 1 и 2 класс):

— роторов (валов) электродвигателей двигателей;

— роторов (валов) электродвигателей специального назначения;

— приводов шлифовальных станков;

— шпинделей шлифовальных, токарных и сверлильных станков в сборе;

— роторов (валов) шпинделей фрезерных станков;

— роторов (валов) шпинделей деревообрабатывающих станков;

— шпинделей деревообрабатывающих станков в сборе.

Параметры изделий подлежащих балансировке:

Максимальный диаметр изделия:

К огда требуется отбалансировать ротор шпинделя во 2 класс точности при существенном начальном дисбалансе балансировка производится в несколько этапов .


Начальный дисбаланс	Балансировка в более низкий класс, например в 4 (т.к. тарировка станка во 2 класс не может быть осуществлена)	Окончательная балансировка во 2 класс точности

Для балансировки роторов (валов) в классы точности 1 или 2 необходимо осуществлять балансировку в собственных корпусах и подшипниках в условиях приближенных к условиям эксплуатации.

Все вышесказанное неактуально для новых шпинделей, которые априори сбалансированы. Но в процессе эксплуатации оборудования, по причине возникновения забоев и задиров на шпиндельных гайках, шкивах и шейках, возникает дисбаланс, который и устраняется восстановлением шпинделей и балансировкой, как роторов, так и самих шпинделей в сборе.

Немного подробнее о динамической балансировке.

Динамическая низкочастотная балансировка используется для устранения дисбаланса жестких и упругодеформируемых роторов (валов), причем для упругодеформируемых роторов устранение дисбаланса идет по определенным правилам с установкой грузов в нескольких плоскостях коррекции.

Динамическая низкочастотная балансировка может быть осуществлена на станках дорезонансного и зарезонансного типа.

Станки дорезонансного типа осуществляют балансировку на частотах вращение ниже собственной частоты резонанса дисбаланса. Определение дисбаланса идет по реакциям опор в двух плоскостях и определяется по методам статической балансировки, что устраняет главный момент дисбалансов не полностью.

Станок зарезонансного типа требует предварительной настройки, после которой амплитуда и фаза колебания упругих опор станка будет соответствовать главному вектору и главному моменту дисбаланса. Данная настройка позволяет производить балансировку жестких роторов с повышенной точностью.

Настройка станка производиться в несколько этапов:

— определение класса точности ротора, который показывает допустимый остаточный дисбаланс в плоскостях коррекции;

— определение плоскостей коррекции;

— расчет контрольных масс;

— тарировка станка на ротор;

Балансировка деревообрабатывающего инструмента

Сегодня конкуренция на рынке изделий вторичной деревообработки очень высока. Для увеличения объемов выпускаемой продукции приобретаются мощные высокопроизводительные деревообрабатывающие станки, где для обработки заготовки используются высокоскоростные шпиндели. Не секрет, что станки такого плана стоят не дешево, и, чтобы оправдать покупку, владельцам деревообрабатывающих предприятий необходимо выпускать продукцию высокого качества.

Качество продукции очень сильно зависит от сбалансированности системы, посредством которой производится деревообработка. Дисбаланс, вызванный вибрацией шпинделя или деревообрабатывающего инструмента, замедляет скорость обработки заготовки, ухудшает её качество и ведет к уменьшению срока службы, как самого инструмента, так и оборудования в целом.

Более подробно о балансировке роторов (валов) шпинделей и шпинделей в сборе мы уже говорили на страницах нашего сайта, теперь стоит уделить внимание дисбалансу деревообрабатывающего инструмента.

Биение деревообрабатывающего инструмента может возникать по многим причинам, таким как:

— задиры и забои, возникающие в процессе установки и эксплуатации инструмента;

— неправильная установка клиньев и зажимных винтов при смене ножей и бланкет;

— неравномерные износ и заточка инструмента;

— налипание смолы и стружки на фрезы;

Также не стоит забывать, что даже новый инструмент может быть отбалансирован не в допуск.

Наша компания оказывает услуги по высокоточной динамической балансировке деревообрабатывающего инструмента для четырехсторонних строгальных станков, а именно:

— строгальных голов (фрез);

— профильных голов (фрез);

— наборных фрез;

— гидроиструмента.

Параметры инструмента подлежащих балансировке:

Максимальный диаметр изделия:

Повышение эффективности высокоскоростного фрезерования центробежных колес Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Ю. В. Грачев, Г. В. Пухальская, С. В. Критчин, Т. А. Панченко

Оценено качество балансировки вспомогательного инструмента . Измерен дисбаланс оправок для высокоскоростной обработки центробежных колес. Экспериментально исследован шпиндель станка, на основе чего рекомендован рабочий диапазон частот вращения шпинделя .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Providing of parameters of exactness and quality at the high speed milling of centrifugal wheels

The quality of balancing of auxiliary tool is appraised. The disbalanc of mounting is measured for HSM (High Speed Machining) treatment of centrifugal wheels. Shpindel ’ of machine-tool is experimentaly investigational, what the working ranges of frequencies of rotation of shpindel are recommended on the basis of.

Текст научной работы на тему «Повышение эффективности высокоскоростного фрезерования центробежных колес»

Ю. В. Грачев1, канд. техн. наук Г. В. Пухальская2, С. В. Критчин1, Т. А. Панченко2

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОЛЕС

1 Государственное предприятие «Ивченко-Прогресс», г. Запорожье 2 Запорожский национальный технический университет

Оценено качество балансировки вспомогательного инструмента. Измерен дисбаланс оправок для высокоскоростной обработки центробежных колес. Экспериментально исследован шпиндель станка, на основе чего рекомендован рабочий диапазон частот вращения шпинделя.

Ключевые слова: вспомогательный инструмент, балансировка, шпиндель, частота вращения.

Центробежные колеса (ЦБК) — одни из наиболее сложных деталей современных ГТД. Постоянно возрастающие требования к точности профиля лопаток и шероховатостей несущих поверхностей моноколеса приводят к необходимости внедрения новейших технологий формообразования поверхностей. Прогрессивным методом изготовления ЦБК является фрезерование на 5-координатных станках с ЧПУ с высокими скоростями резания [1].

При высокой скорости вращения жесткая технологическая система переходит в разряд упру-годеформируемой, упругие и диссипативные характеристики которой накладывают существенные ограничения на ее режимы работы. Поэтому для практической реализации высокоскоростной обработки необходимо выбрать допустимые режимы резания, установить значения вибродиагностических параметров технологической системы для управления качеством обрабатываемой детали и техническим состоянием самой системы.

Высокоскоростная обработка для конкретной технологической системы осуществима в очень узком диапазоне скоростей, подач и глубин резания, который характеризуется низкими уровнями вибраций. Обычно технологическую систему подразделяют на четыре подсистемы: заготовка, инструмент, приспособление, станок, — каждая из которых включает в себя ряд структурных единиц (шпиндель, оправка, фреза, зажимные приспособления и др.) [2].

Высокая скорость вращения шпинделя увеличивает влияние вибрации инструмента на процесс резания. Поскольку фрезерование ЦБК требует большого вылета фрезы, то инструмент под-

вержен значительным вибрациям. Поэтому используют балансируемые оправки, которые позволяют:

— снизить вибрации инструмента;

— в несколько раз увеличить срок службы инструмента и подшипников станка;

— повысить точность и качество обрабатываемой поверхности.

Цель работы: повышение производительности и качества концевого высокоскоростного фрезерования центробежных колес за счет эффективного использования вспомогательного инструмента и возможностей станка.

Объект исследования: вспомогательный инструмент нескольких конструктивных вариантов различных изготовителей и мотор-шпиндель универсального обрабатывающего центра 81аггая 500/130.

Предмет исследования — жесткость системы СПИД при высокоскоростном фрезеровании.

Оценка реального качества балансировки вспомогательного инструмента

Чем выше скорость, тем больше центробежная сила, вызванная дисбалансом и тем сильнее вибрация. Центробежная сила увеличивается с квадратом скорости вращения тела, имеющего неравномерное распределение массы, то есть дисбаланс будет возникать из-за избытка центробежной силы, вызванного вращением более тяжелой стороны ротора. Вот почему чем выше скорость вращения, тем большее значение имеет балансировка.

Постоянные источники дисбаланса создаются конструкцией или возникают в процессе производства. На вспомогательном инструменте дисбаланс возникает из-за асимметричных углублений в приводных шпоночных пазах, расточек в

оправках, а также из-за ориентирующего углового паза на фланцах конусов HSK-A. На режущих инструментах дисбаланс возникает из-за различия в глубине и длине стружечных канавок, из-за лысок на хвостовиках, при использовании од-нолезвийных инструментов и т. п. Такой дисбаланс можно устранить до некоторой степени за счет предварительной балансировки инструмента изготовителем.

Переменные источники дисбаланса изменяют его величину при сборке и смене инструмента. К ним относятся цанги и зажимные гайки, которые занимают различное положение при каждом повторном затягивании, зажимные винты, ввернутые на различную глубину и т. п. Такой дисбаланс может корректировать только пользователь.

Назначением балансировки оправок является улучшение распределения массы корпуса для компенсации центробежных сил в пределах, установленных для данной скорости вращения шпинделя. Производители высокоскоростных фрезерных станков обычно предписывают для оправок, используемых на их станках, уровень балансировки G1 или G2,5 в соответствии со стандартом ISO 1940/1. Класс точности балансировки G2,5 означает, что скорость вибрации не должна превышать 2,5 мм/с, т. е. точность балансировки жестких роторов характеризуется в стандарте с виброскоростью — произведением удельного дисбаланса на максимальную эксплуатационную частоту вращения ротора.

Для определения уровня балансировки оправок использовался балансировочный станок Acuro фирмы Schunk (рис. 1), а для проверки радиального биения — микроскоп Zoller (рис. 2).

Рис. 1. Балансировочный станок Acuro фирмы Shunk

Рис. 2. Микроскоп 2о11ег для настройки осевого инструмента

Были измерены девять различных оправок (табл. 1), семь из которых имели дисбаланс выше допустимого 02,5. Поэтому для повышения жесткости системы необходима динамическая балансировка инструмента и оправки. Центробежные силы несбалансированных оправок увеличивают нагрузку на подшипниковый узел шпинделя и снижают качество обработки деталей.

Исследование динамических характеристик шпиндельного узла

Шпиндельный узел — один из основных узлов металлорежущего станка, непосредственно влияющий на производительность обработки и точность обрабатываемых изделий. Одним из важных показателей качества шпиндельного узла являются его динамические характеристики, поскольку они наиболее полно характеризуют качество его конструкции, изготовления и сборки [3].

Для оценки влияния колебаний на качество обработки деталей проводилось измерение вибрационных характеристик мотор-шпинделя станка 500/130 (рис. 3) с различными видами оправок. С помощью специального кронштейна на корпус шпинделя устанавливались датчики вибрации АБС 017-06. Датчики устанавливались в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадало с продольной осью шпинделя. Измерение вибрационных характеристик проводилось по всему диапазону частот вращения шпинделя при изменении частоты с 500 об/мин до 12000 об/мин с шагом 500 об/мин.

Таблица 1 — Результаты измерения дисбаланса оправок

№ Оправка Фреза Измерения на балансировочном станке Acuro Измерения на микроскопе Zoller

Макс. доп. частота вращения n, мин-1 Класс точности балансировки G Дисбаланс, г . мм Радиальное биение инструмента, мм

1 Гидравлическая Gewefa 93.05.036.016 HSK-A+C63 20*100 без фрезы 216 906.4 Э12 6151-00-1151 отбалансированная 4299 5538 6006 12000 4,6 5,4 3,3 1,9 11,1 8,6 8,0 3,2 0,033

2 Гидравлическая Gewefa 93.05.036.016 HSK-A+C63 20*100 без фрезы 15390 2,9 3,1 0,010

3 Гидравлическая Schunk 204776 20 50070608 12000 0,8 1,6 0,019

4 Гидравлическая Schussler 1 HSK-A6320-100 8К-606323-081 358 125,3 132,9 —

5 Гидравлическая Schussler 2 HSK-A6320-100 8К-606323-081 без фрезы 502 378 89,6 132,1 95,0 94,5 0,031

6 Механическая Nikken HSK 63A-C20-95G с эталоном без фрезы 6099 13244 7,3 9,5 7,8 9,1 0,026

7 Механическая Maxin HSK A63 20X95E 4524364 4343 10,3 11,0 0,003

8 Термооправка Т48 без фрезы 19519 2,5 1,8 —

9 Термооправка Т2 без фрезы 661 56,7 36,1 —

Рис. 3. Универсальный обрабатытающий центр Starrag ZS 500/130

При вибрографировании оправок 8сИипк, №ккеп, $сИи881ег 2 с различным уровнем балансировки (рис. 4—6) повышение уровня вибрации шпинделя наблюдается при частоте вращения 7000 об/мин и составляет 0,17g (2,3 мм/с), 0,14g (1,7 мм/с) и 0,49g (6,6 мм/с) соответственно, при 8000. 9500 об/мин понижается, а максимальной величины он достигает при 12000 об/мин и

равен 0^ (4,95 мм/с), (11,3 мм/с), (8,7 мм/с).

Однако при сравнении виброскорости трех оправок по всему диапазону частот вращения шпинделя (табл. 2) видно, что до п = 6000 об/мин виброскорость практически не изменяется, а при повышении п — изменяется незначительно. Это свидетельствует о том, что наибольшее влияние

на жесткость технологической системы и, следовательно, на качество обработки детали оказывает шпиндельный узел. Поэтому необходимо находить нерезонансный диапазон частот вращения, который для данной технологической системы

составляет 0. 6000 об/мин и 8000. 9500 об/мин. Последний диапазон является предпочтительным, поскольку обеспечивает максимально возможную производительность обработки.

0 0 1 30 200 300 400 500 я и 1,с

р» I «X I — Ут» №» — КкОм ум л- \ Мкс |Дпии

-в* 0*0 2ЯЮОО 0 эй 1 ООО • 717.00 0.013 924 Э59

-Иг 0.50 200000 0 Э58 1 поо — 717Л0 ОХИ 8 973 359

-Их 050 2 00000 0 УЖ 1 ООО -717Я0 0007 415 369

_____ ° О И ш_г а_я №_Я»_91

Рис. 4. Вибрографирование гидравлической оправки ВсЬипк

Рис. 5. Вибрографирование механической оправки №ккеп

Рис. 6. Вибрографирование небалансированной гидравлической оправки Schussler 2

Таблица 2 — Виброскорость (мм/с) шпинделя станка 500/130 с разными оправками по

всему диапазону частот вращения

м х Вид оправки м X Вид оправки

Частота вращени шпинделя, об/ми Гидравлическая 8с1шпк (с фрезой) Механическая Мккеп (с эталоном) Гидравлическая Sсhussler (с фрезой) Частота вращени шпинделя, об/ми Гидравлическая Schunk (с фрезой) Механическая Мккеп (с эталоном) Гидравлическая Sсhussler (с фрезой)

500 0,3 0,2 0,3 6500* 1,7 1,4 3,8

1000 0,1 0,1 0,2 7000* 2,3 1,7 6,6

1500 0,1 0,1 0,1 7500* 1,4 1,2 3,2

2000 0,1 0,1 0,1 8000 0,9 0,8 2,2

2500 0,1 0,1 0,1 8500 0,9 0,9 1,7

3000 0,1 0,1 0,1 9000 1,0 1,0 1,6

3500 0,2 0,2 0,2 9500 1,0 1,0 2,3

4000 0,3 0,3 0,3 10000* 1,3 1,2 1,5

4500 0,4 0,4 0,4 10500* 1,7 1,7 2,4

5000 0,5 0,5 0,5 11000* 3,2 5,0 6,6

5500 0,7 0,6 0,8 11500* 2,8 2,6 4,6

6000 0,8 0,7 1,6 12000* 4,95 11,3 8,7

* — зоны повышенного уровня вибрации шпинделя

Вибрации высокооборотных шпинделей на холостом ходу определяются остаточными дисбалансами их роторов, а при эксплуатации — технологическими дисбалансами оправки с инструментом и переменными нагрузками от реакций

сил резания. Роторы шпинделей станков балансируют как отдельные детали в собственных подшипниках, что может соответствовать 2-му классу точности по ГОСТ 22061 (ИСО 1940). Допустимость такой балансировки оценивается уровнем

вибраций корпуса шпинделя в рабочем диапазоне оборотов. Согласно пределам оценки колебательных свойств амплитуда виброскорости электрошпинделя должна лежать в пределах 0,7— 1,1 мм/с [2], что для данной системы выполняется до п = 6000 об/мин. В противном случае шпиндель следует балансировать в собственном корпусе с соблюдением условий эксплуатации, т. е. по 1-му классу. Также не допускается эксплуатация шпинделя при вибрациях выше 4,5—7,0 мм/с, т. е. при п = 7000 об/мин, п = 11000 об/мин и выше.

1. Результаты измерения дисбаланса оправок для высокоскоростной обработки подтверждают необходимость определения реального качества балансировки при входном контроле, а также их балансировки по необходимости.

2. Вибрографирование шпинделя станка подтвердило наличие резонанса в рабочем диапазоне оборотов шпинделя, который оказывает наибольшее влияние на жесткость технологической системы и, следовательно, на качество обработки детали.

3. В результате исследований были найдены рабочие диапазоны частот вращения шпинделя, которые составили 0. 6000 об/мин и 8000. 9500 об/мин.

1. Определение траектории режущего инструмента для пятикоординатной высокоскоростной обработки несущих поверхностей лопаток и моноколес авиационных ГТД на стан-

ках с ЧПУ / [Петров С. А., Карась Г. В., Мозговой С. В., Качан А. Я.] // Вестник двигателестроения. — 2006. — № 1. — 115 с.

2. Шелег В. К. Технологическое обеспечение параметров точности и качества сложнопро-фильных деталей при высокоскоростной многокоординатной обработке / Шелег В. К., Присевок А. Ф., Клавсуть П. Н. // Вестник БНТУ. — 2009. — № 5. — 120 с.

3. Хомяков В. С. Исследование динамических характеристик шпиндельных узлов / Хомяков В. С., Кочинев Н. А., Сабиров Ф. С. // Вестник МГТУ «Станкин».- 2008. — № 4. -200 с.

4. Барабанов А. Б. Расчет конструкции патрона для фрезерования лопаток компрессоров / Барабанов А. Б., Завгородний В. И., Маслов А. Р. // Вестник МГТУ «Станкин». — 2008. — № 2. -62 с.

5. Высокотехнологическое обеспечение обработки дисков ГТД из жаропрочных сплавов на обрабатывающих центрах / [Панасенко В. А., Качан А. Я., Мозговой С. В., Карась Г. В.] // Авиационно-космическая техника и технология. — 2008. — № 8. — 245 с.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Богуслаев В. А. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД / [Богуслаев В. А., Муравченко Ф. М., Жема-нюк П. Д. и др.] — Запорожье : изд-во ОАО «Мотор Сич», 2003. — 395 с.

7. Богуслаев В. А. Высокоскоростное финишное фрезерование лопаток моноколес / Богуслаев В. А., Качан А. Я., Карась В. П. // Вестник двигателестроения. — 2002. — № 1. -110 с.

Поступила в редакцию 06.09.2010

Грачов Ю.В., Пухальська Г.В., Критчин С.В., Панченко Т.О. Пщвищення ефектив-HOCTi високошвидккного фрезерування вщцентрового колеса

Оцтена якють балансування допом^жного тструменту. Вим^ряно дисбаланс оправок для високошвидк1сно1 обробки в^дцентрових кол1с. Экспериментально досл1джено шпиндель верстата, на основ1 чого рекомендовано робочий диапазон частот обертання шпинделя.

Ключов1 слова: допом^жний инструмент, балансування, шпиндель, частота обертання.

Grachev Yu., Pu^al’s’ka G., Kritchin S., Panchenko T. Providing of parameters of exactness and quality at the high speed milling of centrifugal wheels

The quality of balancing of auxiliary tool is appraised. The disbalanc of mounting is measured for HSM (High Speed Machining) treatment of centrifugal wheels. Shpindel’ of machine-tool is experimentaly investigational, what the working ranges of frequencies of rotation of shpindel are recommended on the basis of.

Key words: the auxiliary tool, balancing, shpindel, frequency of rotation.

О важности динамической балансировки инструмента

Для большинства валов (пильных и фрезерных) деревообрабатывающего оборудования осью вращения является ось, проходящая через центры опорных поверхностей, например, цапф валов (опорных поверхностей) или подшипниковых узлов. Несовпадение этой оси с главной центральной осью инерции (что может быть результатом погрешностей технологии изготовления изделия либо его конструктивных особенностей) приводит к появлению нескомпенсированных центробежных сил и моментов, вызывающих быстрый износ подшипников и повышенные вибрации оборудования, изгибных колебаний ее элементов (например валов шпинделей и оправок), и, как следствие, к быстрому выходу оборудования из строя. Данные явления характерны и при полной или частичной замене всех узлов этой системы.

Есть два вида балансировки дереворежущего инструмента: динамическая и статическая. Принципы и устройство приспособлений для статической балансировки режущего инструмента достаточно хорошо изложены в специальной литературе, поэтому более детально на ней останавливаться не будем. Наиболее качественная балансировка – динамическая, поэтому и уделим ей большее внимание. Для данного вида балансировки применяются специальные машины, иногда очень сложные и дорогие, особенно для балансировки крупногабаритных режущих инструментов с массой более 10 кг.

Балансировка инструмента позволяет увеличить производительность любого деревообрабатывающего оборудования и повышает стойкость инструмента.

Правильное применение зажимных систем инструмента сокращает его расход.

Балансировка инструмента необходима после каждой заточки или смены инструмента на оборудовании.

Попробуем раскрыть суть этих тезисов.

У точной балансировки инструмента много плюсов. Она обеспечивает надежность процесса резания, продлевает срок службы инструмента и шпинделя, способствует повышению производительности оборудования. Оптимальные параметры скорости резания, как и скорости подачи, могут быть достигнуты только в случае максимальной точности на биение системы, состоящей из оправки (вала) и инструмента. Иными словами, отсутствие биения режущего инструмента обеспечивает участие в процессе резания почти всех лезвий инструмента, а не одного, что позволяет повысить качество получаемой поверхности и увеличить скорость подачи, повысить производительность оборудования, снизить нагрузки на подшипниковые узлы и сократить простои оборудования. Вывод: чем чаще выполняется балансировка инструмента, тем лучше будут показатели работы предприятия.

Современные фрезерные, продольно-фрезерные станки и обрабатывающие центры с ЧПУ работают на высокой скорости резания и подачи. При несимметричном распределении масс вращения системы «шпиндель-оправка – инструмент» возникает дисбаланс, вызывающий центробежные силы во всей этой системе, которые возрастают по квадратичной функции в зависимости от частоты вращения шпинделя. То есть при одинаковом дисбалансе в этой системе шпиндель станка с ЧПУ при частоте вращения 24 000 об/мин. создает центробежные силы больше в 16 раз по сравнению с рабочими оборотами (6000 об/мин.) у фрезерных и продольно-фрезерных станков. Например, при одинаковом дисбалансе в 2 г на инструменте, установленном на продольно-фрезерном станке (частота вращения шпинделя – 6000 об/мин.) и обрабатывающем центре с ЧПУ (с частотой вращения шпинделя 24 000 об/мин.) увеличит знакопеременную нагрузку на шпиндель на 576 кг и 36 кг (соответственно) на холостом ходу. Остановимся подробнее на проблемах появления дисбаланса на обрабатывающих центрах с ЧПУ, оснащенных шпинделями с высокими оборотами.

Дисбаланс, возникающий в оправке и инструменте при высокоскоростной обработке на станках с ЧПУ тяжелыми инструментами (особенно – с массой более 10 кг) или инструментами с большим вылетом, негативно сказывается на эффективности производственного процесса, так как центробежные силы нагружают опоры шпинделя, существенно сокращая таким образом срок его службы. Производители обрабатывающих центров и шпинделей настоятельно рекомендуют покупателям оборудования использовать в работе только отбалансированный инструмент. В противном случае гарантия завода-изготовителя либо не действует, либо предоставляется только ограниченная гарантия. Но производственники часто не прислушиваются к рекомендациям и самостоятельно затачивают инструмент или отправляют его в такие сервисные службы, где динамическая балансировка инструмента не выполняется. А в итоге – частая замена или ремонт шпинделей стоимостью до 15 тыс. евро и даже выше. Выводы делайте сами.

Направление эффективного движения центробежных сил в системе «оправка – инструмент» постоянно меняется из-за, например, плотности обрабатываемых материалов, анизотропных свойств древесины и древесных материалов, интенсивного затупления режущих кромок инструмента из-за наличия в обрабатываемых материалах абразивов и т. п., в связи с чем возникают колебания в системе «шпиндель – инструмент». Эти колебания передаются на шпиндель обрабатывающего центра и особенно оказывают негативное влияние на инструмент, что приводит к значительному сокращению срока его работы.

Вибрации являются причиной не только быстрого износа шпинделя и инструмента, но и ухудшения качества поверхности (шероховатости) обрабатываемой детали или заготовки, по-этому приходится дорабатывать детали, например, дополнительно шлифовать. Чтобы достичь желаемого результата обработки, необходимо уменьшить вибрации. С этой целью увеличивают частоту вращения шпинделя и количество режущих элементов, снижают скорости подачи или уменьшают глубину резания. Но эти меры, с одной стороны, обеспечивают уменьшение вибраций, а с другой – становятся причиной низкой производительности оборудования.

Понятно, что ГОСТ P 52590-2006 рассчитан для работы на оборудовании с достаточно мощными шпиндельными узлами, имеющими большие запасы по прочности всей конструкции и, соответственно, значительную металлоемкость, которая способна «погасить» незначительные динамические колебания как шпиндельного узла, так и самой конструкции. А что делать, когда станок имеет малую массу и оснащен шпинделями, имеющими частоту вращения свыше 20000 об/мин.? Устанавливать на мощный фундамент или применять более качественный режущий инструмент? Ответ, думаю очевиден, т. к. в наше время в связи со значительными изменениями в технологии, конструкциях выпускаемой продукции, частой их сменой, например конкуренцией, целесообразнее иметь оборудование, которое может быть легко размещено в любом месте производственного участка при изменении, например, изделия или технологии, чтобы максимально качественно построить технологическую цепочку, сократить брак и ручной труд, повысить эффективность производства.

Специалисты одной из ведущих европейских компаний в области высокоточных инструментальных оправок и балансировочных машин – фирмы Haimer (Германия) – описывают эту проблему так: стоимость станкочаса станка с ЧПУ в Германии составляет в среднем 100 евро (односменное производство, 1 600 ч машинного времени в год). При повышении производительности на 10% можно сэкономить 10 евро за каждый час, то есть 16 000 евро в год. Это немалая сумма. Повышение производительности на 10% – минимально возможный показатель, который гарантирует компания Haimer при обязательной динамической балансировке режущего инструмента.

Еще один положительный эффект использования отбалансированного инструмента – увеличение срока службы шпинделей, т. е. замена шпинделя проводится в рекомендованные производителем оборудования сроки, что положительно сказывается на планировании финансово-хозяйственной деятельности предприятия. Повышается и надежность оборудования, предотвращаются аварийные простои. Цифры сэкономленных средств – лучший контраргумент мнению о том, что балансировочная машина – слишком дорогая «игрушка». Капиталовложения в подобное оборудование лишь в том случае неоправданны, если не происходит быстрой амортизации оборудования. Но не нужно забывать, что замена одного шпинделя (стоимость которых достигает 12–15 тыс. евро) обходится дороже, чем покупка балансировочной машины.

Понятно, что не каждому предприятию нужна балансировочная машина, и если у вас ее нет и вы работаете с сервисным центром по режущему инструменту, то требуйте его обязательной динамической балансировки.

Настоятельно рекомендуем вам проводить балансировку заточенного инструмента своими силами или проверять полученный инструмент из сервиса, например, на заточном участке или в инструментальной кладовой предприятия.

Контрольный замер дисбаланса можно проводить и не имея на предприятии машины для динамической балансировки, а применяя обычный метод статической балансировки. Он не требует специального оборудования и достаточно хорошо представлен в специальной литературе, поэтому здесь на описании этого метода мы останавливаться не будем. Проверочное измерение дисбаланса инструмента на предприятии поможет понять, есть или нет дисбаланс на сданном на склад инструменте, и даст возможность сэкономить значительные деньги на закупке и сервисном обслуживании инструмента.

Несомненно одно: на современном деревообрабатывающем предприятии необходимо применять только точно отбалансированные инструментальные зажимные системы. Но как воздействует зажатый инструмент на общий системный дисбаланс? Специалисты компании «АКЕ РУС» задались этим вопросом и получили ответ, проведя простой опыт. На балансировочной машине Haimer Tool Dynamic проводились измерения дисбаланса патрона Weldon, цангового патрона, термопатрона и оправки для насадной фрезы (все оправки – точно отбалансированные, патроны производства компании Haimer в коротком исполнении, с диаметром хвостовика 20 мм). Условия измерения были следующими: качество балансировки G = 2,5 г.мм при рабочей частоте вращения инструмента 25 000 об./мин. с замером в одной плоскости.

Сначала проводилось измерение дисбаланса без зажатого в оправке инструмента. В оправках дисбаланс был всегда в допустимых значениях. Дальнейшие измерения с инструментом, зажатым в этих точно отбалансированных оправках, показали явный дисбаланс, в особенности в инструментах с хвостовиком с лыской, которые еще широко распространены в деревообработке.

В инструментах с цилиндрическим хвостовиком и симметричной геометрией инструмента был отмечен незначительный дисбаланс. Данные, полученные в результате измерений, находились в диапазоне от 0,8 до 1,3 г/мм. У инструментов с цилиндрическим хвостовиком и симметричными резцами, изготовления на заводах, низкий дисбаланс. В термопатронах нет таких деталей, как гайки и болты, и поэтому инструмент в них зажимается по всей окружности хвостовика или оправки, т. е. он (зажим) соосный, и дополнительного дисбаланса в системе «шпиндель – инструмент» не возникает.

В цанговых патронах после замены цанги целесообразно балансировать весь патрон, т. е. зажимную систему. Балансировка инструмента необходима после каждой смены инструмента и замены элементов зажимных устройств.

При замерах дисбаланса после заточки режущих инструментов с хвостовиком с лыской также были получены неудовлетворительные результаты. Даже при замере патрона Weldon был отмечен дисбаланс 5,5 г/мм, что соответствует качеству G 8. Работать с таким инструментом можно на частоте вращения шпинделя до 7600 об./мин. В цанговом патроне с инструментом с хвостовиком с лыской из полностью твердого сплава было зафиксировано качество балансировки G 29, а в термопатроне – G 38, что соответствует максимальной рабочей частоте вращения 2 700 об./мин. или 1600 об./мин. Так было сделано важное наблюдение, что даже точно отбалансированные термопатроны и цанговые патроны показывают высокий дисбаланс при применении асимметричных инструментов, например, однолезвийных фрез или инструментов с хвостовиком, имеющим лыску, хотя они были изначально отбалансированы!

Хотите работать без потерь рабочего времени и качества обработки своих изделий? Тогда запомните простое правило: балансировка инструмента необходима после каждой его замены (заточки).

Инструмент с лысками целесообразнее всего применять при работе на оборудовании, частота вращения шпиндельных узлов которого не более 3000 об./мин., например, на присадочных и небольших фрезерных станках.

Дисбаланс отмечался и при частичной замене поворотных пластин или их развороте на концевом инструменте из-за их затупления, а также при замене оправки для насадных фрез, например, на новую, хотя она предварительно была проверена на наличие дисбаланса. Так, при замере дисбаланса на новой оправке с зажатым инструментом с поворотными твердосплавными пластинками зафиксирован дисбаланс 20,3 г/мм, что соответствует качеству балансировки G 23, хотя данный инструмент на старой оправке давал незначительный дисбаланс. Дело в том, что как оправки, так и поворотные пластинки – сборные компоненты – не всегда находятся в одной и той же позиции, например, по причине неправильной их установки при замене или недостаточной очистки инструмента перед их установкой.

АКЕ Рус. Режущий инструмент для деревообработки (пилы, фрезы и др.)

АКЕ Рус. Режущий инструмент для деревообработки
(пилы, фрезы и др.)

Kvarnstrands. Деревообрабатывающий инструмент – массивные профильные фрезы HL, ножевые гидроголовы, фрезы для сращивания

Kvarnstrands. Деревообрабатывающий инструмент —
массивные профильные фрезы HL, ножевые
гидроголовы, фрезы для сращивания

У насадной фрезы, которая используется для работы на станке с ЧПУ – и у которой в связи с типом сборки (например, на оправке или применении механических зажимных систем) и ходовой посадки по системе «отверстие – вал» H7/h6 имеется так называемый установочный» зазор в пределах 0,05 мм – всегда есть большой допуск по дисбалансу. Сократить этот зазор невозможно, т. к. в этом случае невозможно установить или снять инструмент с вала или оправки. И в этом случае обязательна балансировка всей системы – оправки и инструмента при каждой заточке или после их частичного или полного ремонта или замены.

Тестирование, проведенное специалистами компании «АКЕ РУС», показало, что даже при использовании высококачественных инструментов обязательная динамическая балансировка инструмента и всей зажимной системы должна быть неотъемлемой частью подготовки производственного процесса.

Пользователи деревообрабатывающего инструмента, предназначенного для оборудования, оснащенного ЧПУ, должны применять только высококачественные оправки и другие зажимные системы на оборудовании, оснащенном высокооборотистыми шпинделями, и не гнаться за сиюминутной выгодой, покупая дешевый инструмент. Помните, что экономическую эффективность применения того или иного инструмента рассчитать иногда практически невозможно. Однако анализ годовых финансовых показателей предприятия, например, при замене одного инструмента на другой, может дать удивительные результаты для размышлений. Не полагайтесь на мнение рабочих-станочников, т. к. их мнение зачастую, как показывает личный опыт, весьма субъективно. Помните, что только при правильном выборе оправки и инструмента будет обеспечена надежная и производительная работа оборудования и достигнуты высокие результаты как по качеству обработки, так и по стойкости режущего инструмента, что приведет к снижению затрат на инструмент. При использовании цанговых зажимов (в случае их правильной и регулярной замены в процессе эксплуатации), а особенно термопатронов и гидравлических зажимных систем, необходимость в динамической балансировке не исчезает, но сокращается до минимума; повышается стойкость режущего инструмента и снижаются затраты на покупку нового режущего инструмента.