Дисбаланс инструмента, проявляющийся в повышенном уровне вибрации, является одним из факторов, приводящих к ухудшению качества обрабатываемой поверхности и быстрому износу режущей кромки [1]. Для устранения дисбаланса применяется процедура балансировки. Существующая практика такова, что балансировку инструмента устраняют на специализированных станках, например, от компании HAIMER (Германия) или от компании BALtech (Тайвань). Стоимость таких станков сопоставима с металлообрабатывающим станком ЧПУ, что не позволяет их активно применять на мелкосерийных и опытных производствах.
В данной статье предлагается метод решения задач балансировки инструмента непосредственно на работающем станке при помощи штатной системы виброзащиты/вибродиагностики.
Суть метода сводится к применению алгоритма одно/многоплоскостной балансировки непосредственно на станке, инструмент которого нуждается в балансировке.
Алгоритм одноплоскостной балансировки для станка предполагает последовательное выполнение операций:
- закрепление инструмента штатным образом на шпиндельном узле;
- проведение пуска на рабочих оборотах шпинделя и измерение амплитуды и фазы вибрации по трём осям (X, Y, Z).
- остановку станка, закрепление пробного груза с помощью балансировочного кольца или балансировочного винта (если в оправке есть резьбовые отверстия).
- занесение в программу величины пробного груза и углового положения.
- проведение пуска с пробным грузом, измерение вибрации
- проведение программного расчета динамических коэффициентов влияния (ДКВ) по данным пробного пуска и нулевого и выявление на их основе величины и положения корректирующего груза.
- удаление пробного и установка корректирующего груза.
- проведение контрольного замера с проверкой нормального уровня вибрации вибрация.
- сохранение ДКВ для данного инструмента и оправка в базу данных.
Поясним некоторые детали.
Прежде всего, необходимо выбрать место установки датчиков вибрации на ШУ.
Расположить датчики в непосредственной близости подшипниковой опоры вала ШУ, как того требует ГОСТ ИСО 10816-3-2002 не всегда возможно, например, в случае, как на рисунке 1, датчик будет работать в зоне подачи смазывающей охлаждающей жидкости (СОЖ). Поэтому предлагается устанавливать датчики по центру ШУ, за защитным кожухом или у задней опоры вала ШУ.
Фаза вибрации считается относительно сигнала от датчиков оборотов. В качестве датчика оборотов целесообразно применять встроенный в ШУ инкрементальный преобразователь угловых перемещений. Как правило, на таких преобразователях, кроме сигнала, определяющего угол поворота, есть сигнал начала отсчёта (один импульс на оборот). Например, на преобразователях компании «СКБ ИС» нужный сигнал обозначается буквой R (reference). На преобразователях других производителей нужный сигнал может обозначаться буквой N (neutral).
Рисунок 1
К выбору величины пробного груза следует подходить ответственно. Избыточный груз приведёт к слишком сильному росту вибрации, недостаточный пробный груз, наоборот, не позволит выяснить ДКВ. На практике применяют следующую формулу из [2]:
где
- P — вес ротора, кг,
- A — уровень вибрации мм/с,
- R — радиус установки груза, см,
- N — обороты ротора в минуту.
Вес ротора применительно к станку будет складываться из веса шпиндельного узла и веса инструмента в оправке. Для подбора груза оператору требуется ввести радиус установки груза и массу инструмента. Остальные параметры определяются станком самостоятельно в зависимости от режима работы.
Для упрощения работы оператора программа балансировки должна получать данные об угле поворота вала шпинделя относительно нулевой отметки. Для определенности пробный груз можно располагать всегда в нулевом положении. Чтобы оператору было проще позиционировать пробный и корректирующий груз на станке, требуется разместить лазерный указатель напротив нулевого положения вала.
Когда работы ведутся с грузами, закрепляемыми на инструменте либо на оснастке (винты, кольца и т.д.), правильнее пробные грузы снимать. В случае высверливания либо наваривания груза снять его потом не представляется возможным. В таких случаях программа балансировки рассчитывает корректирующий груз с учетом пробного груза.
По результатам контрольного пуска вибрация должна приближаться к прогнозируемым остаткам. Однако это не всегда так. Причинами расхождений могут быть проявляющиеся нелинейности системы либо банальные ошибки оператора. Как правило, оборудование без механических дефектов балансируется успешно. В этом случае стоит сохранить полученные ДКВ в базу данных и в дальнейшем на станках с таким же ШУ и инструментам применять ранее полученные ДКВ. Такой подход позволяет быстрее выполнять балансировку известного инструмента за меньшее количество пусков (не нужно делать пуск с пробным грузом).
Многоплоскостная балансировка в алгоритмическом плане отличается от одноплоскостной введением дополнительных шагов по замерам вибрации с пробным грузом — в количестве плоскостей коррекции и числе пробных пусков. Таким образом, в случае, когда не нужна автоматическая сверловка при балансировке инструмента, операции по балансировке можно проводить на том же станке, в котором и работает инструмент.
Дополнительные затраты на установку системы по балансировке низкие в сравнении со стоимостью отдельного станка с таким же функционалом. Если станок уже оснащен системой виброзащиты, например, ВС-357, затраты на дополнительное оснащение модулем балансировки сводятся к минимальному набору дополнительного оборудования и представляют собой в основном программный продукт.
Литература
- Данг Хыу Чонг, Повышение эффективности концевого и торцевого фрезерования на основе контроля износа фрез по уровню вибрации.: канд. техн. наук: 05.02.07 — ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет», 2021 — 140 с.
- Вибродиагностика и вибробалансировка ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения: Учебное пособие / И.М. Кирпичникова, Е.В.Соломин. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2013. — 71 с.
Авторы статьи — Р.Е. Магидов, асп.; рук. В.В.Рожков, к.т.н., доц. (филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске), И.Н. Соколов, асп.; рук. Р.В.Солопов, к.т.н., доц. (филиал ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске)