Verktygsbalansering och varvtal

Ökande skärhastigheter i kombination med högre balanseringsbehov resulterar i snävare balanseringsbetingelse för hela verktygsystemen – maskinspindel och verktygssystem.

Verktygsbalanseringskrav

Balansering enligt ISO 1940-1 intensifieras ofta ytterligare genom att man väljer nästa bättre balanseringsgtrad (t.ex. G 2.5 i stället för G 6.3). Det är ofta inte bara tekniskt onödigt och leder till höga kostnader, utan kan också vara omöjligt att uppnå i många fall.

En annan sak att fundera över vad gäller bedömning av spindelbelastningen på grund av obalans, är att de dynamiska skärkrafterna (som t.ex. orsakas av intermittenta skärförlopp i en fräs) ofta är betydligt högre än de centrifugalkrafter som orsakas av krav på tillåtna resterande obalanser. Obalansen fungerar som en hastighetsharmonisk excitation av maskinstrukturen, och den exciterade centrifugalkraftens storlek beror på obalansens storlek och rotationshastigheten.

De kvalitetskrav på verktygsbalans för stabila rotorer som anges i ISO 1940-1 (t.ex. elmotorrotorer etc.) kan inte tillämpas korrekt på dessa totalsystem, eftersom maskinspindlar och verktygssystem uppvisar väldigt olika egenskaper:

• Maskinspindlar och verktyg är varierande system (t.ex. genom verktygsbyte i fleroperationsmaskiner)
• På grund av små skillnader i radier och vinklar vid fastspänning leder upprepade verktygsbyten i spindeln till varierande balansförhållanden för det totala systemet
• Den individuella komponentens inpassningstoleranser (spindel och verktygssystem) begränsar balanseringsprocessen

Oregelbundenheter i fastspänningen mellan verktygssystem och maskinspindel begränsar repeterbarheten hos balansförhållandena, och med tanke på detta måste balanskraven för roterande verktyg ta hänsyn till alla nödvändiga parametrar. Huvudmålet är att begränsa maskinvibrationer och systembelastningar liksom processtörningar som orsakas av obalans.

Omständigheterna ovan har lett till utvecklingen av ett nytt sätt att ange kraven för balansering av roterande verktygssystem. Standarden ISO 16084 innebär att roterande verktygssystem balanseras på ett sätt som tar hänsyn till den faktiska belastningen som spindellagren utsätts för.

ISO 16084 anger att lagerbelastningen på grund av obalans inte får överstiga 1 % av lagrens dynamiska belastningskapacitet. Enligt denna standard anges all kvarvarande obalans i (g mm) och tilldelas inte någon särskild G-klasskvalitetsnivå enligt ISO 1940-1 – Balanskvalitetskrav för rotorer i stabilt (styvt) tillstånd.

Verktygsbalanseringsteori

Obalans i rotorn kan orsakas av konstruktionen, materialet, tillverkningen och sammansättningen. Alla rotorer har en egen längsgående obalansdistribution, även om den är serietillverkad.

Balansering är en process där rotorns massadistribution kontrolleras och justeras om det behövs. Det sker för att säkerställa att obalanskraften på spindellagren vid drifthastigheten är inom lagrens kapacitet. Vibrationerna hos axeltapparna kontrolleras också så att de hamnar inom angivna frekvensgränserna.

Obalans, U (g mm)

Det här är ett mått som anger hur mycket asymmetriskt fördelad massa som avviker radiellt från den roterande axeln, se bilden nedan.

U = m × e

Excentricitet, e (µm)

Avståndet mellan rotationscentrum och tyngdpunkt, se bilden nedan.

e = U / m

Obalanserad kraft, F (N)

Obalansen skapar en centrifugalkraft som ökar linjärt i förhållande med obalansen och i kvadrat med antalet varv, se centrifugalkraft i bilden nedan.

F = U × ω²

Verktygsbalanseringsteori

1. Roterande axel
2. Tyngdpunkt
3. Excentricitet
4. Asymmetriskt fördelad massa
5. Centrifugalkraft

Motverkande balansering

För att kompensera för oönskade centrifugalkrafter kan man ta bort eller lägga till material som underlättar riktningen av tyngdpunkten mot den roterande axeln, se bilden nedan.

Obalans

1. Roterande axel
2. Tyngdpunkt
3. Excentricitet
4. Asymmetriskt fördelad massa

Motverkande balansering med borrat kompenseringshål

1. Roterande axel
2. Tyngdpunkt
3. Borrat kompenseringshål
4. Asymmetriskt fördelad massa

Balansklass enligt ISO 1940-1 (G)

När man balanserar ett verktyg enligt ISO 1940-1 balansklass G 2,5 vid 20 000 varv/min är en obalans på 1 g mm/kg tillåten (e=1 µm), se tabellen nedan. Som ett exempel motsvarar en liten Sandvik Coromant-etikett 4 g mm. ISO 1940/1 är en standard som tillåter mer obalans på en tyngre verktygshållare än på en lättare vid samma rotationshastighet. Detta trots att olika obalans skapar olika obalanskrafter, och man då inte får någon konsekvent systembelastning.

Enligt ISO 1940-1: Kraven på balanskvalitet för rotorer i ett styvt (stabilt) tillstånd är G ett mått på en roterande kropps balanskvalitet. G är den tangentiella hastigheten vid tyngdpunkten i förhållande till rotationshastigheten. G beror på rotationshastigheten (n), kroppsmassan (m) och obalansen (U). G-klassen kan inte identifieras om man inte känner till rotationshastigheten.

Tillåten kvarvarande specifik obalans för olika ISO 1940-1 G-klassnivåer

X-axel: Drifthastighet n, varv/min

Y-axel: Tillåten kvarvarande specifik obalans, e_per, g mm/kg

Beräkningsexempel ISO 1940-1

Coromant Capto® C4-verktygshållare

• Balansklass: G2.5 vid 20000 varv/min
• Verktygsmassa: 1,0 kg
• Balansklassekvation
• Excentricitet = obalans/verktygets massa

Sandvik Coromant-etikett motsvarar 4 g mm

En skräddarsydd standard för höghastighetsskärverktyg. Standarden ISO 16084 innebär att rotorverktygssystemet balanseras på ett sätt som tar hänsyn till den faktiska belastning som spindellagren utsätts för, och använder inte de olika G-klasserna utan ger i stället ett specifikt värde för den godkända obalansen (U) för varje verktyg i g mm.

Eftersom ISO 16084 är specialanpassad just för höghastighetsskärverktyg medför det också att en serie nya parametrar införs, jämfört med den gamla ISO-standarden. Det möjliggör ett mer realistiskt sätt att definiera krav på verktygssystemets obalans. Som tidigare nämnts härleds balanskraven från den belastning som faktiskt påverkar lagren i spindeln, vilket utgör grunden för hela standarden. Här följer den fundamentala ekvationen för ISO 16084-standarden.

Stegvis beräkningsguide

1. Identifiera vilket spindelgränssnitt som gäller (har individuellt definierade parametrar). T.ex. Coromant Capto® C4 eller HSK-A63
2. Ta reda på vilken typ av bearbetning som ska utföras
   • Standardbearbetning (f_bal = 0,8)
   • Finbearbetning (f_bal = 0,2)
3. Ange specifika parametrar för verktyget
   • Verktygsmassa (m_t)
   • Längd till tyngdpunkt (L_cg)
   • Verktygets rotationshastighet i varv/min (n)
4. Beräkna maximal tillåtna obalans (U_STAT,PER)

Beräkningsexempel ISO 16084

1. Identifiera spindelgränssnitt: HSK-A63
   • C_dyn = 25 000 N (maximal lagerbelastning)
   • A_m = 50 mm (spindelnoslager)
   • L_b = 415 mm (längd mellan lagren)
   • E_s = 2,00 µm (inexakthet i verktygsskaftets koppling)
   • U_BM,TOL= 0,75 g mm (tolerans hos balanserande maskin)
2. Bedömd bearbetning: Finbearbetning (f_bal  = 0,2)
3. Specifika parametrar
   • m_t = 1,4 kg
   • Rotationshastighet, n=3500 varv/min
   • L_cg = 75 mm
4. U_STAT,PER = 282 g mm