Балансировка — важный процесс перед механической обработкой металла

Очень высокие скорости резания, которые применяются на современных станках, могут привести к снижению точности размеров и формы обрабатываемых поверхностей, а также к снижению долговечности режущих инструментов и подшипников шпинделя станков из-за сильной вибрации.

Вот почему динамическая балансировка инструментов является очень важным этапом процесса обработки.

Почему баланс так важен

Высокие шпинделя могут достигать нескольких десятков тысяч оборотов в минуту. При таких скоростях вращения возникает необходимость точной динамической балансировки шпинделей и установленных в них резцедержателей.

Дисбаланс может вызвать довольно значительные колебательные силы, которые будут влиять на инструмент, оснастку и станок, а также на сам процесс резания.

Следствием разбалансировки инструментов и креплений может стать ухудшение технологического эффекта обработки, снижение долговечности инструментов и подшипников качения шпинделя станка, а также снижение комфорта работы станочника (повышение уровня шума и вибрации на рабочем месте).

Симметричное распределение масс вращающихся элементов относительно оси вращения вызывает взаимное уравновешивание центробежных сил. В результате во вращающихся элементах создаются кинетостатические напряжения – поэтому при их взаимокомпенсации элементы уравновешены (или неуравновешенны при разнице векторов сил).

Состояние дисбаланса возникает, если на высоких скоростях наблюдается хотя бы незначительная асимметрия массы вращающегося элемента.  Это создает большую центробежную силу. 

Одним из симптомов этого состояния может быть сильная вибрация, которая может негативно повлиять на надежность машины и даже сократить срок ее службы. Таким образом, балансировка предполагает стремление улучшить распределение массы тела таким образом, чтобы оно вращалось в подшипниках без несбалансированных центробежных сил.

Эта цель может быть достигнута лишь в определенной степени. Хотя современные методы и технологии балансировки могут уменьшить дисбаланс до очень небольших значений, даже после точной балансировки ротор обычно имеет некоторый остаточный дисбаланс. Чем больше масса балансируемой части, тем больше допустимая остаточная неуравновешенность, позволяющая нормальную работу.

С экономической точки зрения чрезмерное ужесточение требований к качеству балансировки нецелесообразно. Поэтому для различных групп жестких роторов были созданы классы точности балансировки, определяющие предел, до которого следует снижать дисбаланс для достижения компромисса между техническими и экономическими требованиями.

Любой дисбаланс масс при вращении является источником вращающих сил или моментов инерции. Они передаются через подшипники на привод и вызывают вибрацию всей системы.

Существует 4 типа дисбаланса:

• статический – ось ротора и его центральная главная ось инерции параллельны;
• моментный – ось ротора и его центральная главная ось инерции пересекаются в центре тяжести ротора;
• квазистатический – ось ротора и его центральная главная ось инерции пересекаются за пределами центра тяжести ротора;
• динамический – ось ротора и его центральная главная ось инерции наклонены.

Процедура балансировки предполагает проверку, и, при необходимости, корректировку массового распределения того или иного элемента. Статическая балансировка предполагает добавление корректирующей массы на стороне, противоположной отклонению центра тяжести от оси, или вычитание материала на стороне, в которую смещён центр тяжести.

Динамическая балансировка предполагает добавление (или удаление) двух корректирующих масс, лежащих по разные стороны от оси вращения, и подобранных так, чтобы силы инерции, действующие на эти массы при вращении вала, создавали пару сил с моментом, равным моменту возникающей динамической реакции.

Балансировка методом проб и ошибок

Балансировка инструмента продлевает его долговечность, повышает стабильность процесса резания и точность обработки. Балансировку проводят после определения вида дисбаланса, путем удаления лишнего материала с инструмента механической обработкой или установкой на инструмент соответствующего противовеса.

Часто процедуру приходится повторять. Поэтому инструмент необходимо снова проверить и отбалансировать, пока не будет достигнута требуемая точность.

Дисбаланс инструмента, допускаемый процессом обработки, зависит от параметров самого процесса. Это зависит от величины сил резания, сбалансированности самого станка и степени взаимодействия этих двух факторов.

Лучший способ добиться сбалансированности системы — метод проб и ошибок. Оптимальным состоянием балансировки инструмента является точка, в которой дальнейшая балансировка больше не улучшает качество обрабатываемой поверхности, или точка, в которой процесс резания соответствует требуемым размерным допускам заготовки.

Держатели инструментов также требуют балансировки.

Балансировка инструмента сама по себе не решает всех проблем с возможной нестабильностью обработки. Одной из причин этого может быть несоответствие патрона вершине шпинделя станка.

Возможно, имеется заметный люфт, на конусе могут быть сколы или другой мусор, тогда конус не будет точно отцентрирован. Загрязнения создадут дисбалансный эффект – даже если инструмент, патрон и шпиндель находятся в идеальном состоянии.

Высокоскоростная обработка требует очень точно изготовленных инструментов и использования держателей, обеспечивающих соосность и балансировку инструмента.

Однако сами держатели также могут стать несбалансированными. Причинами могут быть неравномерное распределение массы (канавки, трещины), эксцентриситет (расстояние между центром вращения и центром тяжести инструмента), посадки и допуски между шпинделем и держателем инструмента и другие элементы, влияющие на работу инструмента.

Существует несколько методов балансировки держателей инструментов, например:

• путем добавления массы, расположенной таким образом, чтобы центробежная сила, вызываемая этой массой, была равна по величине, но противоположна силе дисбаланса. Для этой цели также можно использовать две массы в виде винтов, расположенных перпендикулярно оси инструмента и в определенном угловом положении. Этот метод можно использовать для балансировки обычных зажимов;
• удалением соответствующего количества материала (сверлением отверстия точно определенного диаметра и угла заточки на соответствующую глубину) в определенном месте, чтобы уменьшить дисбаланс. Этот метод ограниченно можно использовать для раздельной балансировки самих зажимов. Если использовать его для многократной балансировки всего набора инструментов, это может привести к чрезмерному ослаблению или разрушению держателя;
• путем вращения двух эксцентриковых колец с определенными массами относительно оси держателя инструмента. Таким образом, могут быть созданы силы, равнодействующая которых уравновешивает силу дисбаланса;
• путем углового смещения двух грузов с определенными массами в канавке корпуса держателя или в канавке специального кольца, размещенного на корпусе инструмента. Перемещая грузы симметрично на противоположную сторону от неуравновешенного центра масс инструмента, балансировочную силу можно плавно регулировать от 0 до максимального значения для ближайших друг к другу грузов;
• путем балансировки инструментов, включая шпиндель станка. Это, несомненно, самый продвинутый метод балансировки. Он позволяет избавиться от векторного образования остаточных неуравновешенностей отдельно сбалансированного шпинделя и набора инструментов.