О важности динамической балансировки инструмента
Балансировка – уравновешивание быстро вращающихся машинных частей: деталей оборудования, ротора турбины, электродвигателя, валов, шкивов, концевого или насадного режущего инструмента и других вращающихся узлов или деталей.
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.)
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.
Владимир ПАДЕРИН
