Nierównomierny nacisk opon na podłoże, głośno wibrująca pralka czy drgania pedału hamulca samochodu – ze skutkami niewłaściwego wyważenia części mechanicznych mamy do czynienia w życiu codziennym bardzo często, jednak wiedza o tym zjawisku jest raczej skąpa. Często nie zdajemy sobie sprawy, jak wiele jest w naszym otoczeniu urządzeń, których części wymagają wyważenia. Wiertła dentystyczne, silniki, bębny pralek, talerze twardych dysków komputerów, wentylatory i opony samochodowe – to tylko niektóre z nich.

Niechciane wibracje

Nierównomierne rozłożenie masy wirnika w pobliżu jego osi obrotu to powód powstawania sił odśrodkowych, które wzbudzają niesymetryczną rotację i wibracje. Te z kolei niszczą łożyska wrzeciona i są odpowiedzialne za hałas podczas wirowania. Im większa prędkość pracy maszyny, tym „dolegliwości” te pogłębiają się i są bardziej zauważalne. I choć niewyważenie jest zjawiskiem naturalnym, ponieważ wszystkie nowo obrabiane części są w jakimś stopniu niesymetryczne ze względu na nierównomiernie rozłożone otwory w odlewie czy niecentrycznie ulokowane elementy, zjawisko to może być dość niebezpieczne w skutkach i powodować nawet rozpad wirnika.

Liczby mówią za siebie: realizacja procesów obróbkowych za pomocą narzędzi, które nie są w odpowiedni sposób wyważone, powoduje trzykrotnie szybsze zużycie wrzeciona. W konsekwencji niezbędna staje się regeneracja lub wymiana tego elementu. Związany z tym kilkudniowy przestój maszyny jest w przypadku konieczności zachowania ciągłości produkcji nie tylko dużym kłopotem organizacyjnym, ale i niepotrzebnym wydatkiem. Silnie wibrujące narzędzia elektryczne nie wykonują swoich zadań z wystarczającą dokładnością, operatorzy pracujący przy niewyważonych maszynach do stolarki czy szlifierkach męczą się przeważnie dużo szybciej, a produkty „wibrującej” obróbki są gorszej jakości, mają nierównomiernie wykończoną powierzchnię i krótszą trwałość. Niechlubnym przykładem jest zjawisko „bicia” tarczy szlifierskiej spowodowanego niewyważeniem, skutkujące niepożądaną chropowatością powierzchni materiału, która nie spełnia wymaganych parametrów.

Odpowiednie wyważenie narzędzi jest szczególnie istotne zwłaszcza w dobie coraz większej popularności wysoko wydajnych obrabiarek CNC (Computer Numerical Control). Tego typu maszyny umożliwiają frezowanie, cięcie i wykrawanie z bardzo dużymi prędkościami obrotowymi wrzecion, dochodzącymi do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę. Producenci urządzeń skrawających, aby zapewnić tym zaawansowanym kombajnom obróbczym ciągłość pracy, a produkowanym elementom odpowiednią precyzję wykonania, muszą szczególnie zadbać o dynamiczne wyważenie nie tylko narzędzi, ale też uchwytów do nich. Jak twierdzą specjaliści frezowania, tylko wysoka jakość wyważenia kompletnego zespołu narzędzi wraz z uchwytami narzędziowymi gwarantuje wolną od wibracji obróbkę.

Waga niemal idealna

Trudno dziś uwierzyć, że jeszcze 150 lat temu wyważanie wirnika turbiny parowej zajmowało od trzech do czterech tygodni ciężkiej pracy fizycznej wielu robotników. Dostępna wówczas technologia była stosunkowo prosta, jednak jej wyniki – bardzo niedokładne. Późniejsze próby były już nieco bardziej udane: poprzez stopniowe przemieszczanie kawałka kredy w kierunku obrotowym wirnika z pewnym stopniem dokładności można było ustalić położenie niewyważenia. Zasada działania współczesnych wyważarek jest zupełnie inna i pozwala na zredukowanie niewyważenia do bardzo małych wartości.

Korekcja niewyważenia odbywa się dwojako: poprzez usunięcie (zabiegiem frezowania lub wiercenia) nadwyżkowego materiału w cięższej części elementu lub dodanie masy korekcyjnej do lżejszej pozycji (np. przyspawanie obciążeń). Niezależnie od techniki efektem jest stan równowagi w rozłożeniu masy wirnika w pobliżu jego osi obrotu. Warto jednak pamiętać, że cel ten może być osiągnięty tylko do pewnych wartości, gdyż mimo bardzo dokładnego wyważenia wirnik i tak zachowuje tzw. niewyważenie resztkowe. Im większa jest masa części, tym większe dopuszczalne niewyważenie resztkowe, przy którym dana część może pracować prawidłowo. Wielkość tę precyzują międzynarodowe i krajowe normy określone dla poszczególnych urządzeń, ich konstrukcji i przeznaczenia. Zgodnie z nimi takie komponenty jak np. koła samochodów są wyważane do stopnia 40, a małe armatury elektryczne – do stopnia 2,5.

Od tarcz po bębny

Zakres wykorzystania współczesnych wyważarek jest bardzo szeroki – urządzenia te znajdują zastosowanie właściwie w każdym procesie wymagającym wysokich parametrów skrawania. Podobnie jak zwiększone wymagania wobec obrabiarek doprowadziły do intensywnego rozwoju technologii obróbczych, tak rosnące potrzeby związane z wyważoną pracą narzędzi przyspieszyły rozwój rynku profesjonalnych wyważarek. Wysokie standardy dotyczące precyzji i jakości wykonania produktów sprawiają, że rynek wyważarek rośnie z roku na rok. Producenci oferują wyważarki manualne, automatyczne i półautomatyczne przeznaczone dla całej gamy wirujących i drgających elementów oraz komponentów – zarówno kilkugramowych miniaturowych silników, jak i kilkusettonowych wirników turbin parowych. Nowoczesne wyważarki obsługują nie tylko każdą kategorię wagową wirników, ale i różne ich rozmiary (od 1 mm do 10 m średnicy), a także cały zakres prędkości. Używane są przez producentów narzędzi, oprawek, tarcz szlifierskich, frezarek szybkoobrotowych i HSC, wykorzystywane w branży motoryzacyjnej (np. do wyważania sprzęgieł samochodowych, wirników alternatorów, tarcz i bębnów hamulcowych), sektorze turbomaszynowym i elektronicznym, w produkcji kolejowych zestawów kołowych, wirników turbin i pomp, silników elektrycznych i wałków papierniczych.

Samoloty w równowadze

Gałęzią przemysłu, w której szczególną rolę odgrywają doskonale wyważone narzędzia obróbcze, jest produkcja części do samolotów. Koszty wymiany uszkodzonych wirników są tu wysokie, dlatego specjaliści utrzymania ruchu w zakładach produkcji lotniczej wymagają, aby używane w nich maszyny obróbcze były regularnie wyważane. O tym, jak ważne to zadanie, świetnie wiedzą inżynierowie szwajcarskiego producenta samolotów – firmy Pilatus Aircraft Ltd. W ubiegłym roku przedsiębiorstwo zainwestowało w nowe systemy produkcyjne do obróbki elementów konstrukcyjnych z aluminium. Aby zapewnić stabilność procesu produkcyjnego i odpowiednią precyzję operacjom frezowania, Szwajcarzy skorzystali z uchwytów narzędziowych i odpowiednich urządzeń do mocowania termokurczliwego i wyważania firmy Haimer. Ten niemiecki producent pełnych systemów mocowania i wyważania narzędzi inwestuje corocznie jedną dziesiątą swoich przychodów w badania i rozwój nowych technologii związanych z wyważaniem.

Ergonomiczne i wygodne

Jak twierdzą eksperci tego segmentu rynku, inwestycja w wyważarki amortyzuje się w ciągu 2–3 lat od momentu zakupu, a czas ten skraca się proporcjonalnie do liczby obrabiarek wykorzystywanych w produkcji. Specjaliści utrzymania ruchu nie muszą się obawiać tajników obsługi nowego sprzętu i kosztów związanych z pracą urządzeń – w pełni zautomatyzowane wyważarki najnowszych generacji są nie tylko ergonomiczne w użyciu, ale i łatwe w obsłudze. Tak właśnie zaprojektowany został np. system do wyważania narzędzi i uchwytów narzędziowych Tooldyne oferowany przez firmę SCHENCK RoTec Polska, która od 125 lat produkuje wyważarki i systemy diagnostyczne. Jej twórca był projektantem pierwszej na świecie wyważarki, wyprodukowanej w 1907 r. Wszystkie elementy kompaktowej maszyny Tooldyne zostały opracowane z myślą o wygodzie użytkownika – począwszy od przejrzystego systemu pomiarowego, pozwalającego na bezpośrednie wprowadzanie danych poprzez ekran dotykowy, przez szeroki zakres funkcji wspomagających obsługę, po odpowiednio dobraną wysokość roboczą i łatwo dostępny pojemnik do przechowywania adapterów.

Czułe i precyzyjne

Współczesne maszyny wyważające są tak czułe, że łatwo i dokładnie ustalają jakiekolwiek odchylenie osi masy, nawet o 0,001 mm od osi przebiegu. W zależności od modelu i przeznaczenia maszyny są wyposażone we frezarko-wiertarki służące do automatycznego usuwania niewyważenia, których pracę kontrolują najnowocześniejsze układy sterowania. Wyniki wyważania przeliczane są na parametry wiercenia i frezowania, możliwe jest stosowanie rozkładu masy i wyznaczanie obszarów zabronionych. Dzięki opcji laserowego znakowania systemy wskazują pozycję niewyważoną i korektę za pomocą precyzyjnego lasera. Specjalne oprogramowanie przelicza wartość niewyważenia na różne metody jego korekcji, a wyniki są wizualizowane na monitorach LCD. Systemy pomiarowe wyposażone są również w drukarkę laserową, port USB oraz kartę sieciową umożliwiającą przesyłanie danych przez Ethernet do systemów ERP klienta. Możliwość zastosowania i szybkiej automatycznej wymiany adapterów pod różnorodne uchwyty powoduje, że stacje wyważające można wykorzystać w różnych aplikacjach.

Jednym z dostawców takich urządzeń jest firma Cimat, producent wyważarek, w którego ofercie znajdują się zarówno proste wyważarki manualne, jak i zaawansowane wyważarki z automatyczną korekcją niewyważenia. Precyzyjny algorytm pomiarowo-obliczeniowy tych urządzeń pozwala szybko i dokładnie wyważyć oprawkę lub narzędzie za pomocą wszystkich znanych obecnie metod korekcji (szlifowanie, frezowanie, wiercenie, rozkład ciężarków). Urządzenia wyważające mogą współpracować ze wszystkimi dostępnymi typami oprawek narzędziowych, a opcjonalne wyposażenie maszyn pozwala również na precyzyjny pomiar geometrii narzędzia.

We własnych łożyskach i poza

Geometria jest podstawową kategorią, którą trzeba wziąć pod uwagę podczas wyboru wyważarki. Narzędzia krótkie, w których moment niewyważenia jest przeważnie niski, są wyważane za pomocą maszyn pracujących jednopłaszczyznowo. W przypadku długich narzędzi kompensacja niewyważenia może nastąpić jedynie w dwóch płaszczyznach. Kolejnym czynnikiem, który warto uwzględnić, jest forma operacji wyważania i diagnostyki drgań. Zabiegi te mogą być bowiem prowadzone na dwa różne sposoby: na specjalnym stanowisku (wyważarce) po wymontowaniu z urządzenia lub w miejscu zainstalowania wirnika, czyli w łożyskach własnych. Wyważanie przebiegające na wyspecjalizowanym stanowisku stosowane jest najczęściej na etapie produkcji, kiedy kontroli poddaje się dużą serię jednakowych elementów, oraz wtedy, gdy dostęp do wirnika jest utrudniony lub niemożliwy. Nie zawsze jednak konieczna jest inwestycja w profesjonalny sprzęt – czasem wystarczy skorzystać z parków maszynowych firm świadczących tego typu usługi. Jedną z możliwości jest Centrum Wyważania firmy SCHENCK w Tychach, jedno z kilkudziesięciu tego typu miejsc na świecie, w którym wysoko specjalistyczne maszyny umożliwiają bardzo precyzyjne wyważanie i testowanie wirników o wadze do 400 kg przy prędkości do 63 tys. obrotów na minutę – zarówno części indywidualnych oraz prototypów, jak i całych serii.

Jedną z możliwości profesjonalnego wyważania wirnika w łożyskach własnych bez wymontowania z maszyn dają przenośne stacje wyważające, które pozwalają wyważać wirniki o dowolnej masie i kształcie bez demontażu z maszyny, a także sprawdzać poziom wibracji maszyn wirnikowych oraz diagnozować stan łożysk. Niezależnie od tego, na jaką formę wyważania się zdecydujemy i z jakiego rodzaju stacji wyważającej skorzystamy, efekt tej operacji wart jest zachodu: spokojnie i cicho pracujące narzędzia, bez drgań i wibracji. Ponieważ wibracje mogą w sposób istotny zmniejszać jakość przykręcanych i zaciskowych połączeń między elementami, prowadząc do ryzykownego poluzowania się części, eliminacja tego zjawiska oznacza nie tylko brak hałasu pracującej obrabiarki, ale i większe bezpieczeństwo operacyjne maszyn i obsługujących je osób. Jeśli do listy korzyści dodamy większą trwałość łożysk tocznych wrzeciona obrabiarki i lepsze efekty technologiczne obróbki, staje się oczywiste, że zabiegi wyważania narzędzi to nie kwestia przyszłości, ale istotny składnik optymalizacji aktualnych procesów produkcji.