Оценка реального качества балансировки инструментов

В. А. Потапов

Несмотря на то, что в рамках входного контроля качество балансировки инструментов для высокоскоростной обработки проверено, тем не менее, нередко возникают противоречия с данными, указываемыми изготовителем согласно протоколу испытаний. Поэтому кажется, что при требовании качества балансировки G 2,5 переходят границу воспроизводимости. В рамках исследования была проверена относящаяся к этой проблеме техника и практика измерений. Результаты проверки стали основой для формулирования реальных требований к качеству балансировки инструментов.

Необходимость сокращения времени обработки и развитие новых режущих материалов стали одной из главных причин значительного ускорения частоты вращения инструментов. В настоящее время она находится в интервале 15000 – 40000 мин^-1. Конструктивно обусловленная асимметрия инструментов, а также квадратичная зависимость между частотой вращения шпинделя и создающей дисбаланс центробежной силой делают использование неотбалансированных режущих инструментов и инструментальных патронов рискованным, в каких-то случаях в связи с возникновением необходимости ремонта более дорогим и приводит в результате к недостаточно высокому качеству поверхности и несоблюдению допусков.

В принципе балансировка становится рациональной уже при средних частотах вращения, а при более высоких (в интервале 10000 – 20000 мин^-1) балансировка в одной плоскости просто необходима. При дальнейшем повышении частоты вращения она превращается в обязательную операцию, причем если необходимо добиться оптимального качества поверхности заготовки, максимально возможной стойкости инструментов и повышения срока службы шпинделя даже в двух плоскостях. Отметим в качестве примера, что дисбаланс величиной 150 г мм при частоте вращения инструмента 30000 мин^-1 приводит к возникновению на шпинделе станка центробежной силы величиной 1500 Н.

Ситуация с балансировкой высокоскоростных инструментов

По поводу иных требований к балансировке или ее качеству существуют разные подходы. В рамках проекта «Балансировка» германского Комитета по промышленному производству были разработаны единые требования к балансировке, причем в их основу были положены 2 границы.

• Границы, исходя из которых более качественная балансировка инструмента вследствие обусловленных его запрессовкой погрешностей в патроне становится нерациональной.
• Границы, при соблюдении которых может быть исключена критическая вибромеханическая нагрузка на систему инструмент-шпиндель

Требования к балансировке, получаемые в результате соблюдения двух этих границ, подходят для того, чтобы сохранять на постоянном уровне динамические нагрузки на шпиндельные опоры. Основой этих требований являются определенные в рекомендациях VDI 2056 действительные граничные значения допустимых колебаний опор. В итоге было рекомендовано принять качество балансировки G16, что является компромиссом между необходимой защитой шпинделя и балансировкой, проведение которой рационально с учетом как технических, так и экономических расчетов. Если учесть еще и массу инструмента, то тогда получим допустимый остаточный эксцентриситет, который превышает допуск на смену инструментов. В то же время как положительный фактор следует рассматривать выполнение требований ( G40 ) обеспечения безопасности инструментов ( E DIN EN ISO 15641 ).

Проблемы оценки качества балансировки

Исходя из опыта изготовления и входного контроля инструментальных патронов для высокоскоростной обработки, на многих предприятиях испытывают сомнения относительно рационального и реального качества балансировки. Причина этих сомнений состоит в противоречии между качеством балансировки, указываемом изготовителем в протоколе приемки, и измеренном потребителем при входном контроле. Возникает даже вопрос, насколько правильно и воспроизводимо путем измерений или проверок требуемое в конструкторских спецификациях качество балансировки G25 и тем самым, насколько рационально его назначение.

Исследования на балансировочных станках

Ряд исследований, проведенных на балансировочных станках вертикальной и горизонтальной компоновки (рис.1), дает возможность сделать заключение о характеристике разброса и тем самым о воспроизводимости классов точности балансировки. Было исследовано три типа балансировочных станков: А. В и С. Станки типов А и В имеют вертикальную компоновку и были специально разработаны для балансировки инструментов и инструментальных оправок. Установку инструмента осуществляют в них с помощью зажимного патрона посредством адаптера. Вследствие вертикального концентричного крепления инструмента его масса не играет особой роли. У станков типа С (с горизонтальной компоновкой) установка балансируемых инструментов происходит посредством вспомогательного вала с тягой. Преимущество применения станков такого типа состоит в гибкости использования (для балансировки также и других роторов) и поэтому их можно считать универсальными.

Все станки работают с использованием пъезоэлектрического силоизмерительного датчика. Управляемое от меню программное обеспечение упрощает ввод геометрических данных и позволяет выполнить расчет класса точности балансировки, глубины сверления и фрезерования, а также позиции балансировочных колец. Объектами измерения точности балансировки стали 8 инструментов и инструментальных оправок с инструментами, охватывающих значительный диапазон масс, размеров и длин вылета инструментов (табл. 1).

Таблица 1

Измерения для определения класса точности балансировки производились как изготовителями балансировочных машин, так и их потребителями (изготовителями инструментальных оправок, специалистами производственных предприятий). В соответствии с результатами измерений для балансировочных машин выше указанных типов получают разброс по классам точности балансировки для отдельных эталонных инструментов.

Для баланс и руемого объекта №3 кратко представлен порядок исследования его дисбаланса. Путем сравнительных измерений, проведенных каждое в одной плоскости, для трех машин получают различное значение дисбаланса

Определение остаточного допустимого дисбаланса производилось по данным секции «Балансировка» (рис.2). В качестве граничной величины для такого подхода принимается максимальная величина вибрации, возникающая на опорах главного шпинделя. Как показали результаты исследований, этот метод становится рациональным лишь в том случае, когда частоты вращения инструмента превышают 20000 мин^-1.

Результаты и выводы

Исследования показали, что для различных балансировочных станков и для выбранных из практики эталонных инструментов результаты измерений класса точности балансировки имеют значительный разброс. При этом наименьшим он оказался у станка В. Фактический остаточный дисбаланс измеряемых объектов был неизвестен, поскольку он достаточно мал для того, чтобы определить разброс результатов измерений.

Рассмотрев диапазон разброса измеренных значений у всех балансировочных машин, для различных частот вращения получим существенно различающиеся между собой значения. Так, при частоте вращения, 15000 мин^-1 у двух из восьми измеряемых объектов разброс значений находится ниже класса точности балансировки G 6,3, тогда как при частоте 2400 мин^-1 этот разброс всегда больше допустимого дисбаланса при классе точности G 6,3 у одного объекта.. В табл. 2 расчетные допустимые значения дисбаланса сравниваются с его измеренными значениями при различных требованиях к балансировке. В среднем для всех измеряемых объектов замеренный дисбаланс находится выше допустимого при классе точности балансировки G 2,5.

Рекомендации для пользователей

При обработке с очень большим съемом снимаемой стружки, например при изготовлении из алюминия цельных крупноразмерных авиационных деталей, обработке корпусных деталей из легких сплавов или при обдирке, когда ведется обработка инструментов и штампов, класса качества балансировки G 16 будет, по-видимому, достаточно. Учитывая, разумеется, что вследствие значительного объема снимаемой стружки и исключительно высокой расходуемой на резание мощности, нагрузками на шпиндельные опоры от усилий резания пренебрегать нельзя, дополнительная нагрузка на шпиндель от усилий, возникающих при дисбалансе, не станет преобладающей. Следовательно, в диапазоне достигаемых при обработке частот вращения (15000 – 24000 мин^-1) класс точности балансировки в интервале G 6 , 3 –G 8,0 будет вполне достаточным.

При реализации задач чистовой обработки с высокими требованиями к качеству получаемой поверхности и допускам необходимо по возможности свести к минимуму деформации на вершине инструмента, вызванные действующими при наличии дисбаланса силами. Класс точности балансировки G 6,3 соответствует, например, при частоте вращения инструмента 10000 мин^-1 допустимому смещению его центра на 6 мкм, а при 20000 мин^-1 - на 3мкм. Поэтому здесь безусловно необходимо требовать и обеспечивать соблюдение по меньшей мере класса точности G 6,3. При финишной обработке не исключена необходимость и более высоких классов точности балансировки. В таком случае необходимо балансировку инструментов и инструментальных оправок производить в шпинделе после их замены.

Список рисунков

Рис.1. Две компоновки балансировочных станков: вертикальный балансировочный станок; 2- система опор, снабженная измерительными преобразователями; 3- плоскости балансировки; 4 – шпиндель с прецизионными опорами; 5 – опорная стойка с встроенными измерительными преобразователями; 6 – консольные плоскости балансировки; 7 – вспомогательный вал с тягой; 8 – горизонтальный балансировочный станок:

Рис.2. Допустимый остаточный дисбаланс для измеряемого объекта № 3 по данным секции «Балансировка»: 1-допустимый остаточный дисбаланс, гмм; 2-частота вращения, мин^-1; 3-допустимый остаточный дисбаланс, (гмм) при скорости 1мм/с; 4-допустимый остаточный дисбаланс при скорости 2,8 мм/с

© stankoinform.ru