Wyważanie obrotowych narzędzi skrawających P Cichosz

WYWAŻANIE OBROTOWYCH NARZDZI SKRAWAJCYCH
Piotr Cichosz - Politechnika Wrocławska
Artur Petyniak - AwarTech s.c. Wrocław
Streszczenie
Współczesne obrabiarki pozwalają na realizowanie skrawania z bardzo dużymi prędkościami
obrotowymi wrzecion, dochodzącymi do kilkudziesięciu tysięcy obr/min. Dla takich zakresów
prędkości obrotowych wymagane jest stosowanie wyważania dynamicznego narzędzi. Zwiększa
to bowiem dokładność wymiarowo-kształtową obrabianych powierzchni, trwałość narzędzi i
łożysk wrzeciona obrabiarek.
1.WPROWADZENIE
Nadal jednym z wiodących trendów w obróbkach ubytkowych jest skrawanie z dużymi
prędkościami HSM [2-7,10-11]. Technologie HSM realizowane są głównie w tych rodzajach
obróbek skrawaniem, w których ruch główny obrotowy wykonują narzędzia (frezowanie,
wiercenie). Stosowanie HSM w odniesieniu do toczenia napotyka na utrudnienia powodowane
zapewnieniem bezpieczeństwa pracy, pewnością mocowania oraz problemami związanymi z
wyważeniem przedmiotów wirujących z dużymi prędkościami [12]. Pamiętać należy, że
dokładnie wyważony przedmiot, z nierównomiernie rozłożonym naddatkiem po przejściu
zgrubnym, może w znacznym stopniu zostać wyprowadzony ze stanu równowagi.
Duże prędkości skrawania, w przypadku narzędzi obrotowych, zwłaszcza tych o niewielkich
średnicach, wymagają stosowania bardzo dużych prędkości obrotowych wrzecion, nawet rzędu
kilkudziesięciu tysięcy obr/min. Przy tak znacznych prędkościach obrotowych niezbędnym staje
się dokładne wyważanie dynamiczne wrzecion oraz mocowanych w nich zespołów oprawka-
narzędzie. Brak wyważenia może bowiem spowodować powstanie dość znacznych sił wirujących,
odziaływujących nie tylko na narzędzie, oprzyrządowanie i obrabiarkę ale także na sam proces
skrawania. W konsekwencji może to prowadzić do [8,9,14]:
� pogorszenia się efektów technologicznych obróbki,
� zmniejszenia się trwałości narzędzi,
� zmniejszenia się trwałości łożysk tocznych wrzeciona obrabiarki,
� zwiększenia natężenia hałasu na stanowisku pracy.
Na rys.1 porównano wyniki badań trwałość frezów trzpieniowych zamocowanych w dwóch
oprawkach ISO 40 wykonanych wg normy DIN69871-AD. Jedna z oprawek TOPRUN była
wyważona, druga oprawka STANDARD była niewyważona. Próbę przeprowadzono na
sztywnej obrabiarce - centrum pionowym CINCINNATI - w warunkach produkcyjnych.
Frezowano próbki ze stopu aluminium (10% Si), frezem o średnicy 6 mm, ze stałą prędkością
obrotową wrzeciona n = 6000 obr/min i stałym posuwem vf = 900 mm/min. Do frezowania 1500
części maszyn zużyto 19 sztuk frezów monolitycznych z węglika, zamocowanych w
niewyważonej oprawce STANDARD. Natomiast dla tej samej liczby wykonywanych
przedmiotów zużyto tylko 4 takie same frezy zamocowane w wyważonej oprawce TOPRUN [8].
1
450
400
350
Oprawka ISO 40
375
378
STANDARD
300
niewyważona
250
200
Oprawka ISO 40
TOPRUN
150
wyważona
100
50
80
80
0
1
2
Numer próby
Rys. 1. Wpływ niewyważenia oprawki mocującej na żywotność freza palcowego w procesie obróbki skrawaniem
Wpływ niewyważenia narzędzi na trwałość łożysk wrzeciona obrabiarki może być na tyle
znaczny, że niektórzy producenci obrabiarek z szybko wirującymi wrzecionami, warunkują
udzielanie gwarancji niezawodnej pracy i bezpłatnego serwisu koniecznością stosowania
wyważonych dynamicznie zespołów oprawka-narzędzie.
Problemów wynikających z niewyważenia układu narzędzie-oprawka-wrzeciono nie można
lekceważyć. Praktyka wykazuje, że najczęściej mamy niestety do czynienia raczej z usuwaniem
skutków niewyważenia niż ich zapobieganiem. Taki stan rzeczy można tłumaczyć tym, że
wyważanie narzędzi jest zagadnieniem względnie nowym, nie w pełni rozpoznanym
i rozumianym.
2. ZASADY WYWAŻANIA
Wyważanie jest to proces polegający na dążeniu do poprawy rozkładu masy ciała w taki
sposób, by wirowało ono w swych łożyskach bez niewyważonych sił odśrodkowych. Cel ten
może być osiągnięty tylko do pewnego stopnia. Nawet po dokładnym wyważeniu wirnik ma
zazwyczaj pewne niewyważenie resztkowe [13].
Im większa masa wyważanej części, tym większe jest dopuszczalne niewyważenie resztkowe,
zapewniające prawidłową pracę. Stąd też odnosi się dopuszczalne niewyważenie resztkowe
Udop[gmm] do masy ciała m [kg] i otrzymuje się wówczas dopuszczalne niewyważenie właściwe
edop
Udop
edop = [gmm / kg] (1)
m
Na podstawie wieloletnich doświadczeń można stwierdzić, że dla wirników tego samego typu
dopuszczalne, resztkowe niewyważenie właściwe edop zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do
ich maksymalnych prędkości kątowych w
edop � w = const (2)
Na podstawie tej zależności ustalono klasy dokładności wyważenia, które zamieszczono w
tabeli 1 i zilustrowano na rys.2.
2
liczba wykonanych cz
ęś
ci
Współczesne metody i techniki wyważania umożliwiają redukcję niewyważenia do bardzo
małych wartości. Jednakże z ekonomicznego punktu widzenia nie byłoby sensowne przesadne
zaostrzanie wymagań jakościowych. Powstała więc konieczność określenia granicy, do której
powinno się zmniejszać niewyważenie, tak aby osiągnąć kompromis między wymaganiami
technicznymi i ekonomicznymi.
Tabela 1. Klasy dokładności wyważenia dla różnych grup wirników sztywnych
Klasa
jakości
Typy wirników - przykłady
wyważenia
G
Wały korbowe wolnoobrotowych silników okrętowych o nieparzystej liczbie
G4000
cylindrów.
G1600 Wały korbowe dużych silników dwusuwowych (stacjonarnych i okrętowych).
G630 Wały korbowe dużych silników czterosuwowych (stacjonarnych i okrętowych).
G250 Wały korbowe szybkoobrotowych silników Diesla z czterema cylindrami.
Wały korbowe szybkoobrotowych silników Diesla z sześcioma i większą liczbą
G100
cylindrów. Silniki do samochodów osobowych, ciężarowych i lokomotyw.
G40 Koła samochodowe.
Wały napędowe. Wały przegubowe. Części wirujące silników spalinowych,
G16
maszyn rolniczych.
Wały maszyn papierniczych. Wentylatory. Wirniki dużych i średnich silników
G6,3
elektrycznych (średnice powyżej 80 mm).
Dyski twarde stosowane w komputerach. Pompy o napędzie turbinowym.
G2,5 Wrzeciona obrabiarek. Uchwyty narzędziowe stosowane w
obrabiarkach wysokoobrotowych.
Silniki elektryczne wykorzystywane w magnetofonach i gramofonach. Napędy
G1
szlifierek.
Elementy wirujące żyroskopów. Wrzeciona szlifierek o bardzo wysokiej
G0,4
dokładności.
Zalecane klasy dokładności wyważenia nie są pomyślane jako sztywne kryteria odbioru
dla jakiejkolwiek z grup wirników, lecz stanowią raczej wskazówkę, jak uniknąć większych
nieprawidłowości oraz przesadnie ostrych, nierealistycznych wymagań. Mogą one również służyć
jako baza dla bardziej rozbudowanych badań, np. gdy zachodzi potrzeba dokładniejszego
określenia wymaganej dokładności wyważania metodą pomiarów laboratoryjnych lub w
warunkach eksploatacji [13].
Każda klasa dokładności wyważania G, przedstawiona na rys.2, obejmuje zakres
dopuszczalnych resztkowych niewyważeń właściwych. Górna graniczna wartość niewyważenia
określona jest przez wartość iloczynu edop� w � wyrażoną w mm/s. Klasy dokładności wyważania
oznaczone są stosownie do wartości powyższego iloczynu. I tak gdy wartość iloczynu edop� w �
wynosi 16 mm/s, to odpowiadająca mu klasa dokładności wyważania oznaczona jest jako G16.
Przy przestrzeganiu zalecanych wartości granicznych można z dużym prawdopodobieństwem
oczekiwać, że warunki pracy maszyny będą zadawalające [13].
Niewyważenie U powstałe w wyniku niejednorodnego rozmieszczenia masy wokół osi
obrotu wywołuje w czasie ruchu siły odśrodkowe Fu, które wzrastają z kwadratem prędkości
kątowej według reguły
Fu = U �2 [N] (3)
gdzie: U niewyważenie w kg�mm,
� prędkość kątowa w rad/sek.
3
Rys. 2. Maksymalne dopuszczalne względne niewyważenie resztkowe odpowiadające różnym klasom jakości
wyważenia (wg z PN-93/N-01359)
Przykładowo, niewyważona masa o wartości zaledwie 1 grama na promieniu 30 mm,
odpowiada niewyważeniu U o wartości 30 g�mm. Przy prędkości obrotowej 20 000 obr/min wy-
twarza siłę odśrodkową równą 120 N, która w wielu przypadkach nie może być zlekceważona [7].
Niewyważona masa wirująca wywołuje nie tylko dodatkowe siły działające na łożyska,
korpus a nawet fundament, lecz także powoduje drgania maszyny generujące hałas. Dla każdej
prędkości obrotowej obydwa wymienione efekty zależą zasadniczo od proporcji geometrycznych
oraz rozkładu mas wirnika i maszyny, jak również od sztywności dynamicznej całego układu.
Niektóre wirniki można wyważać jako integralne pojedyncze części, inne zaś jako zespoły
konstrukcyjne. Dla każdego zespołu, niewyważenia części składowych należy dodawać
wektorowo, przy czym należy brać pod uwagę także wszelkie niewyważenia powodowane
niedokładnościami pózniejszego montażu. Szczególnie należy uwzględnić fakt, że części
składowe mogą być pózniej zmontowane w pozycjach różnych od tych, w jakich były
zmontowane na wyważarce.
Jeżeli na skutek oddzielnego wyważania każdej z części nie jest możliwe osiągnięcie
tolerancji niewyważenia określonej dla zespołu, należy wyważać ten zespół jako całość [13].
W przypadku wirników o kształcie tarczowym zastosowanie tylko jednej płaszczyzny
korekcji może być wystarczające pod warunkiem, że odległość między łożyskami
jest dostatecznie duża oraz że tarcza wiruje z dostatecznie małym biciem osiowym. W każdym
indywidualnym przypadku należy zbadać, czy powyższe warunki są spełnione.
W przypadkach, kiedy wszystkie niewyważenia występujące w wirniku mogą być
zredukowane do postaci równoważnego układu zastępczego o pojedynczym niewyważeniu, to
wartość dopuszczalnego resztkowego niewyważenia właściwego edop można traktować jako
równoważną dopuszczalnemu przemieszczeniu środka masy wirnika z osi wału. Dla wirników o
jednej płaszczyznie korekcji dopuszczalne niewyważenie w tej płaszczyznie jest równe Udop [13].
4
Jeżeli wirnik sztywny nie spełnia warunków określonych dla wirników tarczowych
konieczne są dwie płaszczyzny korekcji.
Dopuszczalne niewyważenie resztkowe w każdej z dwóch płaszczyzn korekcji zależy od
usytuowania płaszczyzn korekcji i łożysk, a także od wzajemnego kątowego przesunięcia
wektorów resztkowego niewyważenia.
3. WYWAŻANIE NARZDZI ZESPOLONYCH
Narzędzia zespolone - zwane często modułowymi - to takie narzędzia, które w zależności
od potrzeb można zestawiać w różne kombinacje z wielu części składowych. Ze stosunkowo
ograniczonej liczby części składowych, takich jak: adaptery, przedłużki, redukcje, uchwyty, części
robocze narzędzi oraz wymienne płytki skrawające, itp. można zbudować niemal nieograniczoną
liczbę wariantów narzędzi. Narzędzia te, mimo że ich koszty są znacznie większe w porównaniu z
narzędziami jednolitymi, są zdecydowanie bardziej efektywne w zastosowaniu, a ich zalety
szczególnie uwypuklają się w przypadku elastycznych systemów produkcyjnych i dużej
różnorodności asortymentu wytwarzanych wyrobów [10,11].
Aby narzędzia zespolone mogły być skutecznie stosowane, ich potencjalne wady muszą być
ograniczone do minimum. Do wad tych zaliczyć można mniejszą sztywność w porównaniu z
narzędziami jednolitymi oraz pewną niepowtarzalność położeń w wyniku zestawiania ich z dużej
liczby części składowych, wykonanych w określonych klasach dokładności. Wyeliminowanie w
znacznym stopniu tych wad można dokonać poprzez bardzo dużą precyzję wykonania tych
wymiarów i kształtów powierzchni, na których bazuje się i mocuje poszczególne elementy
składowe narzędzia. Niemal obowiązującym standardem jest tu klasa dokładności IT3. Ponadto
dąży się do tego, aby konstrukcja samego złącza zapewniała kasację luzów, centrowanie osiowe
poszczególnych części składowych podczas montażu, dużą siłę mocowania działająca
symetrycznie wzdłuż osi narzędzia. Wszystko to powinno stwarzać warunki do dużej pewności i
powtarzalność mocowania, a także dostateczniej sztywności całego narzędzia. W przypadku
narzędzi, które mają pracować z dużymi prędkościami obrotowymi, dochodzą dodatkowe
wymagania w postaci konieczności zachowania znacznej symetrii osiowej poszczególnych
elementów składowych narzędzia, a także możliwości wyważania narzędzia po jego
zmontowaniu. Konieczna jest tu także duża pewność i bezpieczeństwo działania zestawu
narzędziowego w warunkach dużych prędkości obrotowych wrzecion.
Mocowanie narzędzi w gniazdach narzędziowych obrabiarek za pomocą klasycznego złącza
SK (Steilkegel) (stożek 7:24) nie zdaje egzaminu w przypadku dużych prędkości obrotowych
wrzecion z uwagi na znacznie większą deformację gniazda, wywołaną siłami odśrodkowymi, w
porównaniu z odkształceniami części chwytowej narzędzia (rys.3). Powoduje to zmniejszenie
pewności mocowania i wciąganie osiowe narzędzia w głąb gniazda. Stąd też, w przypadku
obrabiarek dysponujących dużymi prędkościami obrotowymi wrzecion, standardem staje złącze
HSK (Hohlschaftkegel) (stożek 1:10), które w porównaniu z klasycznym złączem SK odznacza się
wieloma zaletami. Między innymi takimi jak to, że podczas zwiększania się prędkości obrotowej
elastyczny , krótki, wydrążony stożek części chwytowej dopasowuje się do powierzchni
stożkowej gniazda wrzeciona, a siła zamocowania wzrasta ze zwiększającą się prędkością
obrotową. Ponadto baza oporowa na powierzchni czołowej złącza uniemożliwia przesunięcia
osiowe narzędzia. Masa stożka HSK jest około 50% mniejsza w porównaniu ze stożkiem SK.
Większa jest też dokładność jego pozycjonowania w porównaniu ze stożkiem SK.
5
brak dokładności mocowania
SK HSK
wewnętrzny
zacisk
deformacja
dobry docisk do
brak gniazda
powierzchni
kontaktu dla dużych
czołowych
czołowego prędkości
obrotowych
Rys.3. Mocowanie narzędzi w gniazdach wrzecion za pomocą klasycznego stożka SK i złącza HSK
Coraz bardziej rozpowszechnia się sposób mocowania narzędzi obrotowych w uchwytach
lub adapterach oparty o połączenia termoskurczowe, zwłaszcza w odniesieniu do HSM.
Rozwiązania te mają szereg zalet, takich jak: niezwykle mocne, pewne, dokładne i powtarzalne
mocowanie, prostota konstrukcji, brak trudnych do wyważenia elementów mocujących
wykorzystujących gwinty, bardzo duża trwałość złącza. Jedynymi wadami tego sposobu
mocowania narzędzi jest konieczność posiadania specjalnych urządzeń do nagrzewania,
zazwyczaj indukcyjnego, części chwytowej oraz stosunkowo długi czas zamocowania i
odmocowania narzędzi uwarunkowany koniecznością nagrzewania i stygnięcia złącza. Ponadto,
jak dotąd, mocowanie i odmocowywanie musi się odbywać na specjalnym stanowisku poza
obrabiarką.
Na świecie rozpowszechnionych jest kilkanaście systemów narzędzi zespolonych. Różnią
się one między sobą głównie konstrukcją złącza, typową dla poszczególnych producentów oraz
różnorodnością i szerokością oferty części składowych.
Nowoczesne narzędzia stosowane w procesach HSM powinny charakteryzować się [4]:
� odpornością na zużycie w zakresach dużych prędkościach skrawania,
� minimalną liczbą, zredukowaną masą i uproszczonym, lecz niezawodnym,
zamocowaniem rozłącznych elementów narzędzia w warunkach dużych prędkości
obrotowych,
� wysięgami zapewniającymi dostęp do powierzchni obrabianych i jednocześnie
gwarantującymi wysoką stabilność pracy,
� dużym kątem pochylenia linii śrubowej w celu zapewnienia pokrywania się ostrzy,
� dużą liczbą ostrzy,
� nierównomierną podziałką kątową lub zmiennymi kątami pochylenia rowków wiórowych,
mającymi na celu zmniejszenie wymuszonych drgań narzędzia,
� wystarczająco pojemnymi przestrzeniami wiórowymi,
� odpowiednią wytrzymałością na działanie sił odśrodkowych.
W przypadku narzędzi zespolonych zasadniczy wpływ na wstępną wartość niewyważenia
statycznego i dynamicznego ma konstrukcja samego narzędzia. Stąd też, aby zminimalizować te
niewyważenia, powinna charakteryzować się ona takimi właściwościami, jak:
� zwarta, sztywna i symetryczna budowa,
� ograniczona do minimum liczba elementów rozłącznych,
6
� duża dokładność mocowania elementów rozłącznych,
� duża siła mocowania elementów rozłącznych,
� małe bicie promieniowe i osiowe,
� dobre wyważenie poszczególnych części składowych narzędzi,
� możliwość wyważania dynamicznego całego narzędzia.
3.1. Typowe zródła niewyważenia w narzędziach zespolonych
Przyczyny niewyważenia w narzędziach zespolonych (rys. 4) można podzielić na dwie kategorie:
� Przyczyny stale powtarzające się, spowodowane np. brakiem symetrii narzędzi są one
możliwe do skorygowania za pomocą zmian konstrukcyjnych.
� Przyczyny nie powtarzające się, wywołane np. błędami wykonania poszczególnych części
składowych i sposobem montażu są one trudne do kontrolowania i wymagają zazwyczaj
każdorazowego wyważania.
11 3 1 5 4 2 6
12 10 9 2 7
Rys. 4. Typowe zródła niewyważenia narzędzi zespolonych [7]
W zależności od typu i rozwiązań konstrukcyjnych narzędzi zespolonych zaburzenie rozkładu
mas może być spowodowane w głównej mierze [7-9] (rys.4):
� zmiennym położeniem promieniowym śruby mocującej narzędzie w oprawce, jak np. w
oprawkach z chwytem typu Weldon, Wistle Notch (1),
� niesymetrią wszelkich gwintów, a szczególnie różnym położeniem kątowym wejścia i
wyjścia gwintu oraz różnym położeniem kątowym (po zamocowaniu) części
posiadających gwinty, jak np. w nakrętkach tulejek zaciskowych, w elementach łączących
w adapterach wg DIN2080, DIN69871, MAS403BT itp. (1)(2)(9),
� przesunięciem narzędzia lub ostrza względem osi uchwytu, jak to ma miejsce we
wszelkiego rodzaju nożach, wytaczakach, rozwiertakach nastawnych, wiertłach
składanych, które można w oprawce przesuwać z osi, aby móc wykonywać otwory o
różnych średnicach, itp.(3),
7
� brakiem symetrii samego uchwytu narzędziowego, np. spowodowanym wybraniem pod
łapę zabieraka w uchwytach wg DIN69871, (4),
� brakiem symetrii części chwytowej narzędzia, np. spowodowanej spłaszczeniem w
uchwytach typu Weldon (5),
� błędami wykonania końcówki mocującej (zaciągacza) (6),
� błędami wykonania części stożkowej uchwytu, a co za tym idzie brakiem współosiowości
z gniazdem wrzeciona obrabiarki (7),
� brakiem symetrii samego narzędzia mocowanego w uchwycie, jak np. w wytaczakach,
wiertłach składanych (3)(5),
� różnym położeniem kątowym nakrętki z wycięciem pod klucz, które za każdym razem
może być inne względem uchwytu, jak np. w tulejkach zaciskowych typu ER (9),
� błędami i niesymetrycznością wykonania tulejki rozprężnej (10),
� ubytkiem materiału spowodowanym zużywaniem się ostrza narzędzia (11),
� błędami i ubytkiem materiału podczas ostrzenia ostrzy (12),
� zmienną masą wymiennych płytek skrawających spowodowaną np. zmianą materiału
ostrza, innym promieniem zaokrąglenia naroża, innym ukształtowaniem powierzchni
natarcia, itp. (11),
� niepowtarzalnością montażu (1)(2)(9)(10)(11).
Poszczególne części składowe obrotowych narzędzi zespolonych, zwłaszcza tych, które
mogą być stosowane do skrawania z dużymi prędkościami, konstruuje się w taki sposób, a potem
wyważa fabrycznie, aby ich stopień niewyważenia był możliwie mały. Mimo to narzędzia te
zmontowane w określony zestaw, powinno się wyważać jako całość z tego względu,
iż sklasyfikowane zostały one w wysokiej klasie niewyważenia G2,5, dla której przykładowo
przy 10 tys. obr/min dopuszczalna wartość przesunięcia środka masy wynosi 2,5 mm (patrz rys.2),
a przy 20 tys. obr/min przesunięcie to wynosi zaledwie 1,2 mm. Tak niewielkie przesunięcie,
nawet w przypadku bardzo poprawnie skonstruowanego i wykonanego narzędzia, może być
spowodowane, np. niedokładnościami montażu.
Z ekonomicznego punktu widzenia ważnym jest także czas samego wyważania. Wyważanie
odrębne pojedynczych elementów może trwać nawet kilkakrotnie dłużej od wyważania całego
zestawu. Pojedyncze elementy wyważa się zazwyczaj tylko w warunkach laboratoryjnych, kiedy
bada się wpływ wartości ich niewyważenia na pracę lub niewyważenie całego zespołu.
W warunkach przemysłowych wybiera się najprostszą i najszybszą metodę osiągnięcia celu, tj.
wyważanie całego zestawu narzędziowego, niekiedy nawet łącznie z wrzecionem obrabiarki.
Zbytnie zwiększanie dokładności wyważania narzędzi nie jest uzasadnione z powodu
niepowtarzalności mocowania narzędzia w gniezdzie wrzeciona, które może powodować
przesunięcie środka masy idealnie wyważonego narzędzia nawet o kilka mikrometrów.
3.2. Sposoby wyważania uchwytów narzędziowych
Istnieje kilka metod wyważania uchwytów narzędziowych, np.:
1. Poprzez dodanie masy umieszczonej w taki sposób, że wywołana przez tę masę siła
odśrodkowa będzie równa co do wartości, ale skierowana przeciwnie, do siły niewyważenia.
Mogą być w tym celu zastosowane również dwie masy w postaci śrub usytuowanych
prostopadle do osi narzędzia i w określonym położeniu kątowym. Wkręcając te śruby uzyskuje
się płynną regulację położenia środka ich mas względem osi obrotu narzędzia. Metoda ta może
być zastosowana do wyważania uchwytów konwencjonalnych.
2. Poprzez usunięcie odpowiedniej ilości materiału (wiercenie wiertłem o ściśle określonej
średnicy i kącie wierzchołkowym na odpowiednią głębokość) w takim miejscu, aby
8
zredukować niewyważenie. Metoda ta może być stosowana w ograniczonym zakresie do
odrębnego wyważania samych uchwytów. Zastosowana do wielokrotnego wyważania całego
zestawu narzędziowego mogłaby doprowadzić do zbytniego osłabienia lub zniszczenia
oprawki.
3. Przez obracanie względem osi uchwytu narzędziowego dwóch mimośrodowych pierścieni o
określonych masach. W ten sposób wywołać można powstanie sił, których wypadkowa
równoważy siłę niewyważenia.
4. Przez przemieszczanie kątowe dwóch ciężarków o określonych masach w rowku korpusu
oprawki (rys.5) 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 90o do maksymalnej wartości dla najbardziej zbliżonych do siebie
ciężarków. Metoda ta wykorzystywana jest przy wyważaniu uchwytów np. serii TOPRUN
firmy D'Andrea przedstawionych na rys. 6 i 8.
5. Wyważanie narzędzi łącznie z wrzecionem obrabiarki. Jest to niewątpliwie najbardziej
zaawansowany sposób wyważania, bowiem pozwala pozbyć się wektorowego składania się
niewyważeń szczątkowych odrębnie wyważanych wrzeciona i zestawu narzędziowego. Unika
się także niewyważenia wynikłego z niedokładności mocowania narzędzia w gniezdzie
wrzeciona obrabiarki. Ta ostatnia zaleta jest możliwa w pełni do uzyskania pod warunkiem, że
narzędzie po wyważeniu nie będzie wymieniane we wrzecionie. Ten sposób łącznego
wyważania narzędzi i wrzeciona realizowany jest przez system TABS firmy Kennametal
Hertel (rys.7) [1]. W rozwiązaniu tym zestaw narzędziowy zamocowany we wrzecionie
obrabiarki wprowadza się do specjalnej wieży z cewką, która znajduje się na stole obrabiarki.
Po włączeniu obrotów analizowany jest, na podstawie drgań, stan niewyważenia przez
sterowany komputerowo tor pomiarowy. Po przetworzeniu sygnałów w cewce wieży
wytwarzane jest odpowiednie pole magnetyczne, które przemieszcza kątowo magnetyczne
pierścienie usytuowane w korpusie narzędzia, likwidując do żądanego poziomu stan
niewyważenia. Wyważanie odbywa się automatycznie w czasie krótszym od dwóch sekund.
Podczas normalnej pracy narzędzia, namagnesowane wkładki uniemożliwiają wzajemny obrót
pierścieni.
W przyszłości wyważanie narzędzi zostanie rozwiązane prawdopodobnie w sposób podobny
do ostatnio opisanego, a system pomiarowy może zostać integralnie związany z układem
sterowania obrabiarki. Mógłby on jednocześnie być wykorzystany do nadzorowania pracy
obrabiarki i sygnalizować nadmierne drgania układu, zbytnie obciążenia łożysk itp.
Odpowiednio skonstruowane narzędzia zespolone, odznaczające się dużą symetrycznością,
można zadowalająco wyważać metodą jednopłaszczyznową. Zastosowanie metody dwupłaszczy-
znowej, znacznie korzystniejsze z punktu widzenia dokładności wyważania, skomplikowałoby i
rozbudowało na tyle konstrukcję samego narzędzia, że spowodowałaby to pogorszenie jego
funkcjonalności. Dlatego też konstruując lub dobierając narzędzia do skrawania z dużymi
prędkościami obrotowymi należy kierować się następującymi zasadami: długość całego narzędzia
powinna być możliwie najmniejsza, a samej oprawki mniejsza od dwóch średnic stożka
mocującego, płaszczyzna korekcji wyważenia powinna znajdować się możliwie blisko środka
masy narzędzia.
9
F
w
F ą max
w
F F
1 2
F
2
F
1
F = 0
w
F F
1 2
F
u
Rys. 5. Dwa ciężarki przestawne kątowo wywołują siły odśrodkowe F1 i F2, których wypadkowa siła Fw równoważy siłę
niewyważenia Fu
a) b) c)
Rys.6. Przykłady uchwytów narzędziowych serii TOPRUN (firmy D`ANDREA) a z integralnie rozwiązanym
sposobem wyważania narzędzi, b nakładanym pierścieniem do wyważania, c pierścienie z dwoma ciężarkami do
wyważania
Rys.7. Przykład wyważania łącznego narzędzia i wrzeciona obrabiarki za pomocą specjalnego urządzenia z systemem
TABS firmy Kennametal Hertel
10
4. BADANIA DOŚWIADCZALNE WPAYWU NIEWYWAŻENIA NARZDZI NA
DOKAADNOŚĆ WYTACZANYCH OTWORÓW
4.1. Warunki i metodyka badań
Badania przeprowadzono na obrabiarkach Mikron VCP 600 i DMU 80T, o bardzo dobrym
stanie technicznym. Narzędziami były głowice wytaczarskie MHD50 firmy D`ANDREA (rys.8),
zapewniające wysunięcie nożyka z dokładnością promieniową wynoszącą 1mm. Oprawki
wyposażone były w pierścienie do wyważania z dwoma ciężarkami o masach po 6g. Do
wyważania narzędzi stosowano wyważarkę BEST BALANCE 2000 firmy Balance Systems. Do
pomiarów okrągłości otworów użyto okrągłościomierza Talyrond 265 firmy Taylor Hobson, a do
pomiarów dokładności średnic długościomierza Abbego firmy Carl Zeiss Jena. Wytaczanymi
próbkami były tuleje ze stopu PA6. Każdą z prób powtarzano minimum trzykrotnie.
Rys.8. Użyta do badań głowica wytaczarska MHD firmy D`ANDREA
Badania realizowano w następujący sposób:
1. Próbkę w kształcie tulejki mocowano na stole obrabiarki i zabielano głowicą frezową jej
powierzchnię czołową, w celu uzyskania dokładnej bazy do pózniejszego ustawiania próbek
podczas pomiarów okrągłości i średnic wytaczanych otworów.
2. Wytaczano wstępnie otwór na średnicę 35mm z użyciem narzędzi i parametrów takich jakie
były realizowane w pózniejszych badaniach zasadniczych. Miało to na celu wyeliminowanie
zakłóceń nierównomiernie rozłożonego naddatku, na dokładności wykonywanych otworów.
3. Zwiększano wymiar średnicowy narzędzia o 0,2mm.
4. Ustawiano niewyważenie e narzędzia na określonym poziomie (0,8; 132; 395 gmm/kg).
5. Tak ustawionym narzędziem wytaczano kolejno 3 fragmenty powierzchni wewnętrznej tulei
zmieniając wartości prędkości obrotowych wrzeciona (2, 11 i 20 tys. obr/min). Fragmenty
wytaczanych powierzchni oddzielone były rowkami, w obrębie których zmieniano obroty
wrzeciona. Stosowano stałą wartość posuwu f=0,05mm/obr.
6. Mierzono różnice średnic wytaczanych otworów względem pierwszego z wykonywanych
otworów. Pomiarów dokonywano w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach. Na
podstawie dokonanych pomiarów określano odchylenie standardowe średnic wykonywanych
otworów. Pomiary te miały na celu określenie rozrzutu wymiarów wykonywanych otworów.
7. Mierzono okrągłość wykonywanych otworów.
4.2. Wpływ niewyważenia narzędzia na odchylenie standardowe wytaczanych otworów
Wyniki badań wpływu niewyważenia narzędzia i prędkości obrotowej na odchylenie
standardowe wytaczanych otworów przedstawiono na wykresie na rys. 9.
11
0,4
0,35
0,3
0,25
n = 2000 obr/min
0,2 n = 11000 obr/min
n = 20000 obr/min
0,15
0,1
0,05
0
0.8 132 395
niew yw ażenie e [gmm/kg]
Rys.9. Zależność odchylenia standardowego średnicy wytaczanego otworu od niewyważenia narzędzia i prędkości
obrotowej wrzeciona
Z przedstawionych na wykresie danych wynika, że zwiększanie prędkości obrotowej
powoduje zawsze zwiększenie odchylenia standardowego wykonywanego otworu. Jednakże w
przypadku najmniejszego z badanych niewyważeń e=0,8 gmm/kg zwiększenie się niedokładności
wykonywanego otworu w wyniku wzrostu prędkości obrotowej wrzeciona było zdecydowanie
najmniejsze. Wpływ ten stawał się coraz bardziej niekorzystny w miarę powiększania się
niewyważenia. Na uwagę zasługuje spostrzeżenie, że w zakresie mniejszych prędkości
obrotowych wrzecion (2000 obr/min) niewyważenie narzędzia nie wpływa istotnie na odchylenie
standardowe wykonywanych otworów.
4.3. Wpływ niewyważenia narzędzia na okrągłość wytaczanych otworów
Wyniki badań wpływu niewyważenia narzędzia i prędkości obrotowej na okrągłość
wytaczanych otworów przedstawiono na wykresie na rys.10.
20,00
e = 395
gmm/kg
15,00
e = 132
10,00
gmm/kg
5,00
e =0,8
gmm/kg
0,00
0 5000 10000 15000 20000 25000
Prędkość obrotow a n [obr/min]
Rys.10. Zależność okrągłości wytaczanego otworu od niewyważenia narzędzia i prędkości obrotowej wrzeciona
12
D
Odchylenie standartowe
d [mm]
m
Błę
dy okr
ągłoś
ci [
m]
Z przedstawionych na wykresie danych wynika, że zwiększanie prędkości obrotowej
narzędzia w przedziale od 2 tys. do 12 tys. obr/min powoduje wzrost błędów okrągłości
wykonywanych otworów, tym większy im większy jest stopień niewyważenia narzędzia. Dalsze
zwiększanie obrotów wrzeciona nie powoduje już wzrostu błędów okrągłości. Błąd okrągłości
otworu wytaczanego z obrotami 12 tys. obr/min jest około 4-krotnie większy dla niewyważenia
e=395 gmm/kg w porównaniu z błędami powstałymi przy niewyważeniu narzędzia
e=0,8 gmm/kg. Taka sama 4-krotna różnica błędów zachowuje się dla analogicznych niewyważeń
lecz dla prędkości obrotowej 20 tys. obr/min.
Warto zwrócić uwagę, że dla stosunkowo małych wartości prędkości obrotowej wrzeciona,
wynoszących 2 tys. obr/min, niewyważenie, nawet bardzo znaczne, nie wpływa na błędy
okrągłości wytaczanych otworów.
5. PODSUMOWANIE
Narzędzia obracające się z prędkościami większymi niż kilka tys. obr/min wymagają
wyważania. Brak wyważania może bowiem powodować znaczne pogorszenie się efektów
technologicznych obróbki, zmniejszenie trwałości narzędzi i łożysk wrzeciona obrabiarki.
Nie jest rozstrzygniętym do końca, czy efektywniejsze jest odrębne wyważanie narzędzia i
mocowanie go do fabrycznie wyważonego wrzeciona czy też lepsze efekty można osiągnąć
wyważając łącznie wrzeciono z zamocowanym w nim narzędziem. Wydawać by się mogło, że
łączne wyważanie jest korzystniejsze choćby z technicznego punktu widzenia. Niemniej jednak
wówczas łączna, wyważana masa jest wielokrotnie większa, szczególnie w przypadku gdy
obrabiarka wyposażona jest w elektrowrzeciono. Odrębne masy wrzeciona, a szczególnie
narzędzia, są znacznie mniejsze i łatwiej jest je precyzyjnie wyważyć. Tak więc, być może
precyzyjnie, fabrycznie wyważone wrzeciono i oddzielnie wyważone narzędzie o stosunkowo
małej masie dadzą łącznie, nawet z błędem niecentryczności mocowania, mniejsze niewyważenie
niż wyważenie łączne. Trzeba też mieć na uwadze fakt, że trudno jest zachować bardzo dokładne
wyważenie fabryczne wrzeciona w warunkach pózniejszej eksploatacji, gdyż po każdorazowym
zamocowaniu narzędzia, znajdujące się w jego wnętrzu elementy, służące do mocowania narzędzi,
mogą przyjmować nieco odmienne położenie względem jego korpusu.
Wyważanie łączne zespołu narzędzie-wrzeciono zwiększa czas nieproduktywnego przestoju
bardzo drogich obrabiarek [12], co może się znacząco odbić na zmniejszeniu produktywności
wytwarzania. Pamiętać należy także, że samo wyważanie może trwać bardzo krótko, np. mniej niż
2s, ale cały proces przygotowania i wyważania zestawu narzędzi znajdujących się w magazynie
narzędziowym obrabiarki może wynosić wielokrotnie więcej. Ponadto, wyważanie łączne
wymaga zainstalowania urządzeń do wyważania na każdej z obrabiarek, na których ma być ono
stosowane.
Który z tych sposobów wyważania, łączny czy odrębny, jest bardziej efektywny? Trudno na
to pytanie dać jednoznaczną odpowiedz. Zależy to bowiem od wielu czynników, takich choćby
jak: godzinowy koszt pracy urządzenia do wyważania i godzinowy koszt pracy obrabiarki, czas
wyważania na obrabiarce i w urządzeniu do wyważania, czy wyważanie odbywa się w czasie
pokrytym, dokładności wyważania zestawu narzędziowego i dokładności zachowania wyważenia
wrzeciona po kolejnych zamocowaniach narzędzia, itp.
Nie przeceniając roli wyważania, trzeba zdawać sobie sprawę z tego, że mogą zajść i takie
przypadki niekorzystnego nakładania się poszczególnych, nawet drobnych, przyczyn
niewyważenia, które mogą się skumulować w dość dużą wartość niewyważenia, poważnie
zakłócającą pracę obrabiarki. Pewną rolę zakłócającą wyważenie układu narzędzie-oprawka-
wrzeciono może odgrywać także płyn obróbkowy podawany do strefy skrawania poprzez
wrzeciono i narzędzie, co bardzo trudno jest uwzględnić, tak podczas odrębnego, jak i łącznego
wyważania narzędzia i wrzeciona.
13
Literatura:
[1] A. DOPIERAAA: Automatyczne wyważanie narzędzi skrawających, Mechanik, Nr 12,
2000.
[2] H. K. T�NSHOFF, B. KAPUSZEWSKI, CH. BLAWIT: Hochgeschwindigkeitzerspanung
- Stand der Technik und Entwicklungstendenzen. VDI-Z, 139(1997)9, 26-33.
[3] J. DARLEWSKI: Narzędzia do obróbki wiórowej na 12. EMO 97, Mechanik, Nr 12, 1997
[4] K. E. OCZOŚ: Postęp w obróbce skrawaniem - 1. Obróbka z dużymi prędkościami,
Mechanik, Nr 3, 1998.
[5] K. E. OCZOŚ: Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego kształtowania materiałów
Cz.I. Obróbka skrawaniem, Mechanik, Nr 8-9, 2002.
[6] K.OLEJARCZYK: Obróbka z dużymi prędkościami skrawania (HSM), Mechanik, Nr 3,
2001.
[7] A. C. LYONS: Principles in the Use and Design of High Speed Toolholders in Machining
Centers, PromaTec , Morrisville, Nc 27560 (P1099), 2000.
[8] Materiały informacyjne firmy D ANDREA S.p.a.
[9] Materiały informacyjne firmy Narzędzia Skrawające TOOLS Sp. z o.o.
[10] P. CICHOSZ, J. DARLEWSKI, K. E. OCZOŚ: Nowoczesne trendy rozwojowe w obróbce
skrawaniem, Prace Naukowe ITMiA Politechniki Wrocławskiej, nr 78, Seria Konferencje
nr 36, Wrocławskie Sympozjum - Automatyzacja Produkcji 2000, Wiedza-Technika-
Postęp, Wrocław, 2000.
[11] P. CICHOSZ, J. DARLEWSKI, A. DOPIERAAA, W. GRZESIK, T. KARPICSKI, J.
KOCH, H. MACKIEWICZ, W. PSZCZOAOWSKI, A. SAMEK, J. STÓS, A.
STREUBEL, H. ŻEBROWSKI: Nowoczesne narzędzia skrawające i oprzyrządowanie.
Prace Naukowe ITMiA Politechniki Wrocławskiej, nr 67, Seria Konferencje nr29,
Wrocławskie Sympozjum - Automatyzacja Produkcji Innowacje w Technice i
Zarządzaniu, Wrocław, 1997.
[12] P. CICHOSZ: Efektywność kształtowania skrawaniem przedmiotów osiowosymetrycz-
nych w zintegrowanym wytwarzaniu, Prace Naukowe ITMiA, PWr. Seria: Monografie,
Nr 21, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1998.
[13] PN-93/N-01359. Drgania mechaniczne. Wyważanie wirników sztywnych.
[14] R. RACZYK, R. MAZUROWICZ: Wyważanie narzędzi stosowanych w obróbce (HSC),
Mechanik, Nr 5-6, 2000.
Autorzy dziękują firmie "Tool`s Sp.z o.o." z Wrocławia za udostępnienie narzędzi i wyważarki oraz firmom
"Matusewicz" Budowa Maszyn S.J z Gryfowa Śląskiego, "Pewter" z Leszna, Zakładowi Mechanicznemu
"Tadeusz Kazimieruk" z Poznania za udostępnienie obrabiarek i pomoc w realizacji badań.
14

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ocena zużycia ostrza narzędzia skrawającego
01 Narzędzia skrawające
Ćw 6 Badanie trwałości narzędzi skrawających
DIAGNOSTYKA NARZĘDZIA I PROCESU SKRAWANIA
Ćw 1 Budowa i geometria ostrzy skrawających materiały narzędziowe opracowanie nr 2
Sandvik Narzędzia obrotowe Co nowego 2012
WYWAZANIE MECHANIZMU Z OBROTOWYM JARZMEM v2011
Zestawienie obrotów i sald jako narzędzie weryfikacji zapisów
Dobór narzedzi i parametrów skrawania do frezowania
407 E5AT03K1 Narzedziedo podtrzymywania Obudowylozyska polosi Nieznany
Wyważanie wirników sztywnych

więcej podobnych podstron