Wyważanie istotnym procesem przed obróbką skrawaniem

Wyważanie istotnym procesem przed obróbką skrawaniem Adobe Stock – kadmy

Bardzo duże prędkości skrawania, do jakich dochodzi w coraz bardziej zaawansowanych obrabiarkach, mogą przekładać się na spadek dokładności wymiarowo-kształtowej obrabianych powierzchni, trwałości narzędzi skrawających i łożysk wrzeciona obrabiarek. Dlatego też tak ważnym procesem jest wyważanie dynamiczne narzędzi.

Duże prędkości skrawania wymagają stosowania bardzo dużych prędkości obrotowych wrzecion, które dochodzą nawet do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę. Przy tak dużych wartościach prędkości obrotowej niezbędne staje się dokładne wyważanie dynamiczne wrzecion oraz mocowanych w nich zespołów oprawka–narzędzie. Brak wyważenia może bowiem powodować powstanie dość znacznych sił wirujących, które będą wpływać na narzędzie, oprzyrządowanie i obrabiarkę, a także na sam proces skrawania.

Konsekwencją niewyważenia narzędzi i oprawek mocujących może być pogorszenie efektów technologicznych obróbki, zmniejszenie trwałości narzędzi i łożysk tocznych wrzeciona obrabiarki, a także pogorszenie komfortu pracy operatora obrabiarki (większe natężenia hałasu na stanowisku pracy).

Dlaczego wyważanie jest tak ważne?

Symetryczne rozłożenie mas wirujących elementów względem osi obrotu powoduje wzajemne równoważenie się sił odśrodkowych. W efekcie w wirujących elementach powstają co najwyżej naprężenia kinetostatyczne – elementy są zatem wyważone (lub wyrównoważone).

Stan niewyważenia ma miejsce, jeśli przy większych prędkościach dochodzi do nieznacznej nawet asymetrii masy wirującego elementu. Powstaje wówczas duża niezrównoważona siła odśrodkowa. Jednym z objawów tego stanu mogą być intensywne drgania. Mogą one wpływać negatywnie na niezawodność pracy maszyny, a nawet skracać ich żywotność. Wyważanie polega zatem na dążeniu do poprawy rozkładu masy ciała w taki sposób, aby wirowało ono w swoich łożyskach bez niewyważonych sił odśrodkowych.

Cel ten można osiągnąć tylko do pewnego stopnia. Chociaż współczesne metody i techniki wyważania umożliwiają redukcję niewyważenia do bardzo małych wartości, to nawet po dokładnym wyważeniu wirnik ma zazwyczaj pewne niewyważenie resztkowe. Im większa masa wyważanej części, tym większe jest dopuszczalne niewyważenie resztkowe, zapewniające prawidłową pracę. 

Z ekonomicznego punktu widzenia przesadne zaostrzanie wymagań jakościowych jest niewskazane. Stworzono więc klasy dokładności wyważenia dla różnych grup wirników sztywnych, określające granicę, do której powinno się zmniejszać niewyważenie, aby osiągnąć kompromis między wymaganiami technicznymi a ekonomicznymi.
Każde niewyważenie mas w ruchu obrotowym jest źródłem wirujących sił lub momentów sił bezwładności. Przenoszą się one przez łożyska na korpus i pobudzają cały układ do drgań.

Rozróżnia się 4 rodzaje niewyważenia:
    • statyczne – oś wirnika i jego centralna główna oś bezwładności są równoległe,
    • momentowe – oś wirnika i jego centralna główna oś bezwładności przecinają się w środku ciężkości wirnika,
    • quasistatyczne – oś wirnika i jego centralna główna oś bezwładności przecinają się poza środkiem ciężkości wirnika,
    • dynamiczne – oś wirnika i jego centralna główna oś bezwładności są skośne.

Procedura wyważenia polega na sprawdzeniu i – w razie potrzeby – wyregulowaniu rozkładu masy danego elementu. Wyważenie statyczne polega na dodaniu masy korekcyjnej po stronie przeciwnej do odchylenia środka ciężkości od osi lub odjęciu materiału po stronie, w którą przesunięty jest środek.

Wyważenie dynamiczne polega na dodaniu (lub ujęciu) dwóch mas korekcyjnych, które leżą po przeciwnych stronach osi obrotu, i dobranych tak, żeby siły bezwładności działające na te masy podczas obrotu wałka tworzyły parę sił o momencie równym momentowi występujących reakcji dynamicznych.

Wyważanie metodą prób i błędów

Wyważanie narzędzia wydłuża jego trwałość, a także zwiększa stabilność procesu skrawania i dokładność obróbki. Wyważanie przeprowadza się po uprzednim określeniu rodzaju niewyważenia – przez zdjęcie nadmiaru materiału z narzędzia obróbką skrawaniem albo założenie na narzędzie odpowiedniej przeciwwagi. 
Niejednokrotnie procedura musi być powtarzana. Narzędzie należy więc ponownie sprawdzić i wyważyć – aż do uzyskania wymaganej dokładności.

Dopuszczalne ze strony procesu obróbki niewyważenie narzędzia zależy od parametrów samego procesu. Składa się na niego wielkość sił skrawania, stan wyważenia samej obrabiarki i stopień wzajemnego oddziaływania na siebie tych dwóch czynników.

Najlepszym sposobem doprowadzenia do dobrego wyważenia układu jest metoda prób i błędów. Optymalnym stanem zrównoważenia narzędzia jest taki stan, w którym dalsze wyważanie nie poprawia już jakości powierzchni obrobionej, albo punkt, przy którym proces skrawania z łatwością zapewnia dotrzymanie wymaganych tolerancji wymiarowych przedmiotu obrabianego.

Uchwyty narzędziowe też wymagają wyważania

Samo wyważanie narzędzia nie rozwiązuje wszystkich problemów z ewentualną niestabilnością obróbki. Jedną z tego przyczyn może być niedopasowanie uchwytu do końcówki wrzeciona obrabiarki. Zdarza się, że występuje tam zauważalny luz albo na stożku znajdują się wióry lub inne zanieczyszczenia. Stożek nie będzie wówczas dokładnie wycentrowany. Zanieczyszczenia spowodują efekt niewyważenia – nawet jeżeli samo narzędzie, uchwyt i wrzeciono będą w doskonałym stanie.
Obróbka szybkościowa wymaga bardzo precyzyjnie wykonanych narzędzi oraz stosowania oprawek narzędziowych zapewniających współosiowość i wyważenie narzędzia.

Same oprawki też jednak mogą ulegać niewyważeniu. Przyczyną może być nierówne rozłożenie masy (rowki, wyżłobienia), mimośrodowość (odległość między środkiem obrotu a środkiem ciężkości narzędzia), pasowania i tolerancje między wrzecionem a uchwytem narzędzia oraz inne elementy wpływające na pracę oprawki, czyli np. niewyważone narzędzie.

Istnieje kilka metod wyważania uchwytów narzędziowych, np.:
    • Przez dodanie masy umieszczonej w taki sposób, że wywołana przez tę masę siła odśrodkowa będzie równa co do wartości, ale skierowana przeciwnie do siły niewyważenia. W tym celu można zastosować również dwie masy w postaci śrub usytuowanych prostopadle do osi narzędzia i w określonym położeniu kątowym. Metoda ta może być stosowana do wyważania uchwytów konwencjonalnych.
    • Przez usunięcie odpowiedniej ilości materiału (wiercenie wiertłem o ściśle określonej średnicy i kącie wierzchołkowym na odpowiednią głębokość) w takim miejscu, aby zredukować niewyważenie. Metoda ta może być stosowana w ograniczonym zakresie do odrębnego wyważania samych uchwytów. Zastosowana do wielokrotnego wyważania całego zestawu narzędziowego mogłaby spowodować zbytnie osłabienie lub zniszczenie oprawki.
    • Przez obracanie względem osi uchwytu narzędziowego dwóch mimośrodowych pierścieni o określonych masach. W ten sposób wywołać można powstanie sił, których wypadkowa równoważy siłę niewyważenia.
    • Przez przemieszczanie kątowe dwóch ciężarków o określonych masach w rowku korpusu oprawki lub w rowku specjalnego pierścienia zakładanego na korpusie oprawki narzędzia konwencjonalnego. Rozsuwając symetrycznie kątowo ciężarki po przeciwnej stronie niewyważonego środka masy narzędzia, można płynnie regulować siłę wyważającą od wartości 0 dla kąta 90° do maksymalnej wartości dla najbardziej zbliżonych do siebie ciężarków.
    • Przez wyważanie narzędzi łącznie z wrzecionem obrabiarki. To niewątpliwie najbardziej zaawansowany sposób wyważania. Pozwala bowiem pozbyć się wektorowego składania się niewyważeń szczątkowych odrębnie wyważanych wrzeciona i zestawu narzędziowego.

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę