Балансировка оправок: что значит G2,5 и когда она нужна
Отметка «G2,5 при 25 000 об/мин» в карточке оправки значит, что на этих оборотах её центр масс смещён от оси меньше чем на 1 мкм, то есть остаточный дисбаланс не больше 0,95 г·мм на каждый килограмм массы. G2,5 это класс точности балансировки по ISO 21940-11 (раньше ISO 1940-1): смещённый центр масс на рабочих оборотах бежит по кругу со скоростью не больше 2,5 мм/с. О балансировке обычно начинают думать с 8 000-10 000 об/мин, а выше 15 000 об/мин и на длинных сборках балансируют оправку вместе с инструментом.
Что означает класс G2,5
Дисбаланс U измеряют в г·мм: это масса, умноженная на её расстояние от оси вращения. Дисбаланс, делённый на массу ротора, называют удельным дисбалансом e. Это смещение центра масс от оси: 1 г·мм на килограмм равен 1 мкм.
Класс G равен произведению допустимого удельного дисбаланса на угловую скорость и выражается в мм/с. Ряд идёт ступенями с множителем 2,5: G0,4, G1, G2,5, G6,3, G16, G40 и дальше; чем меньше число, тем точнее балансировка. Описаны классы в ISO 1940-1: в России применяют ГОСТ ИСО 1940-1-2007, идентичный ISO 1940-1:2003, а на международном уровне его сменил ISO 21940-11:2016 с той же системой классов. Оправок в таблице рекомендуемых классов нет: металлорежущие станки там отнесены к G6,3, их приводы к G2,5, а класс оправки назначает её производитель.
Класс без оборотов ничего не говорит: по G2,5 на 6 000 об/мин допустим вчетверо больший удельный дисбаланс, чем на 24 000 об/мин. А допуск в г·мм растёт с массой, и тяжёлой сборке BT50 при том же классе и тех же оборотах разрешено больше, чем лёгкой BT30.
Как посчитать допустимый дисбаланс
Допустимый удельный дисбаланс e = 9549 × G / n, где G класс в мм/с, n частота вращения в об/мин, e в мкм. Допуск сборки U = e × m, где m её масса в кг; 9549 это 60 000 / 2π, перевод оборотов в угловую скорость. Рабочие обороты под фрезу удобно посчитать в калькуляторе режимов резания.
Пример: оправка BT40 с цангой ER32, гайкой и фрезой весит в сборе 1,2 кг (массу берут взвешиванием), рабочие обороты 18 000 об/мин, нужен класс G2,5:
- e = 9549 × 2,5 / 18 000 ≈ 1,33 мкм;
- U = 1,33 × 1,2 ≈ 1,6 г·мм.
Это 0,08 г на радиусе 20 мм. По подсчёту Sandvik Coromant, их маленькая фирменная наклейка соответствует примерно 4 г·мм, в 2,5 раза больше всего допуска из примера. Поэтому на высокооборотную оснастку не клеят этикетки и не мотают изоленту.
Обратная задача: если балансировочный станок показал у той же сборки 3 г·мм, наибольшие обороты n = 9549 × G × m / U. Для G2,5 это около 9 500 об/мин, для G6,3 около 24 000 об/мин. Сила от дисбаланса F = U × ω² растёт с квадратом оборотов: дисбаланс 1 г·мм на 15 000 об/мин даёт около 2,5 Н, на 30 000 об/мин около 10 Н, и на каждом обороте эта сила нагружает подшипники шпинделя.
Таблица допустимого дисбаланса
Значения e = 9549 × G / n в мкм. Для сборки массой 1 кг это и есть допуск в г·мм, для другой массы число из таблицы умножают на массу в кг.
| Обороты, об/мин | G6,3 | G2,5 | G1 |
|---|---|---|---|
| 6 000 | 10,0 | 3,98 | 1,59 |
| 8 000 | 7,52 | 2,98 | 1,19 |
| 10 000 | 6,02 | 2,39 | 0,95 |
| 12 000 | 5,01 | 1,99 | 0,80 |
| 15 000 | 4,01 | 1,59 | 0,64 |
| 18 000 | 3,34 | 1,33 | 0,53 |
| 20 000 | 3,01 | 1,19 | 0,48 |
| 25 000 | 2,41 | 0,95 | 0,38 |
| 30 000 | 2,01 | 0,80 | 0,32 |
Пример чтения: торцевая фреза на оправке BT50 общей массой 4 кг на 6 000 об/мин по классу G6,3 может иметь до 10 × 4 = 40 г·мм, а сборка массой 0,8 кг на 25 000 об/мин по классу G2,5 должна уложиться в 0,76 г·мм.
Что значит «G2,5 при 25 000 об/мин» в карточке оправки
Это остаточный дисбаланс самой оправки: на 25 000 об/мин её центр масс смещён не больше чем на 0,95 мкм. На меньших оборотах запас растёт пропорционально: на 12 000 об/мин та же оправка соответствует G1,2, на 8 000 об/мин G0,8. Запись «G6,3 при 15 000 об/мин» допускает смещение до 4 мкм, в 4,2 раза больше, и на 25 000 об/мин такая оправка дала бы только G10,5.
Производители оснастки останавливаются примерно на одном уровне. Haimer балансирует все свои оправки до G2,5 при 25 000 об/мин или до остаточного дисбаланса меньше 1 г·мм, Rego-Fix пишет то же для оправок BT/ER, а для удлинённых оправок серии XL указывает G2,5 при 5 000 об/мин.
В нашем каталоге в карточках цанговых оправок BT30, BT40 и BT50 под цанги ER и оправок BT-FMB для торцевых фрез указано «G6,3/15 000 или G2,5/25 000 об/мин». Требования разные, поэтому для работы выше 15 000 об/мин уточните класс конкретной оправки при заказе. У патронов SLA под хвостовик Weldon и цанговых удлинителей C-ER в карточках указано только биение.
Класс относится к оправке, а не к сборке с инструментом. И он не разрешает крутить оправку быстрее: предельные обороты задаёт конструкция оправки, гайки и инструмента, а насадную фрезу со сменными пластинами не разгоняют выше оборотов её производителя даже на отбалансированной сборке.
Почему точнее G2,5 обычно не балансируют
На 25 000 об/мин класс G2,5 оставляет на смещение центра масс меньше 1 мкм. Сборка массой 1,2 кг, севшая в шпиндель со смещением оси всего на 1 мкм, получает 1,2 г·мм, больше всего своего допуска (1,15 г·мм). По Sandvik Coromant, погрешности зажима в шпинделе и допуски посадок ограничивают повторяемость балансировки. BIG DAISHOWA приводит пример: инструменту легче 0,45 кг на 40 000 об/мин класс G2,5 оставляет около 0,2 г·мм и 0,6 мкм смещения, а это за пределами повторяемости любого балансировочного станка.
Для инструмента поэтому есть свой стандарт. DIN 69888 2008 года исходил из того, что классы ISO 1940-1 не переносятся на систему из шпинделя, патрона и инструмента; его отозвали, вместо него рекомендуют ISO 16084:2017 о балансировке вращающегося инструмента и инструментальных систем. Допуск там считают от нагрузки на подшипники шпинделя: по описанию Sandvik Coromant, нагрузка от дисбаланса не должна превышать 1 % их динамической грузоподъёмности. На малых оборотах это мягче G2,5: в примере Sandvik для сборки HSK-A63 массой 1,4 кг на 3 500 об/мин при чистовой обработке получилось 282 г·мм, а G2,5 дал бы около 9,5 г·мм.
Что разбалансирует сборку
Заводской баланс оправки сохраняется, пока сборка симметрична. Что его нарушает:
| Источник | Что происходит | Что делать |
|---|---|---|
| Хвостовик | У BT пазы под сухари симметричны, у американского CAT разной глубины: по данным American Machinist, это около 90 г·мм на конусе 40 и 400 г·мм на конусе 50 | Отличия BT, SK и CAT разобраны в статье про конус BT и штревели |
| Штревель | Смена штревеля меняет баланс сборки. У CAT штревель без центрирующего пояска даёт 5-25 г·мм, у BT резьба под штревель с центрированием | Ставить на все оправки станка штревели одного типа |
| Гайка ER | Внутри обычной гайки эксцентриковое кольцо, которое вытягивает цангу, поэтому гайка несимметрична | Для высоких оборотов берут отбалансированные гайки: у GARANT ER40 High Speed указано G2,5 при 25 000 об/мин. Гайки для цанг ER есть в каталоге |
| Цанга и инструмент | Биение сдвигает массу фрезы с оси: фреза 0,15 кг, смещённая на 0,01 мм, даёт 1,5 г·мм, больше допуска G2,5 на 20 000 об/мин для сборки 1,2 кг | Точные цанги, чистый конус, затяжка гайки по моменту, подробнее в статье о цангах ER |
| Патрон Weldon (SLA) | Винт и лыска с одной стороны, винт сдвигает фрезу с оси | Годится для черновой работы на умеренных оборотах, на высоких лучше цанговый патрон или термопатрон: сравнение в статье патрон для фрезы |
| Насадная фреза на оправке BT-FMB | Зазор по посадочному диаметру смещает фрезу, сама фреза бывает несимметричной | Балансировать вместе с фрезой, не превышать её предельных оборотов |
| Длинный вылет, расточные головки | Дисбаланс по длине создаёт момент, расточная головка теряет баланс при перенастройке диаметра | Балансировать в двух плоскостях; для чистовой расточки на высоких оборотах есть головки с автоматической компенсацией |
Когда балансировка нужна
Единого порога нет ни в ISO 21940-11, ни в ISO 16084. Практические ориентиры приводят специалисты по балансировке в отраслевой прессе:
- 8 000-10 000 об/мин исторически считают порогом, с которого о балансировке оправок стоит думать;
- концевым фрезам и свёрлам в отбалансированных на заводе оправках этого хватает примерно до 15 000 об/мин, выше балансируют сборку с инструментом;
- длинной расточной оправке на конусе 50 балансировка может понадобиться уже на 5 000-6 000 об/мин;
- до 20 000 об/мин в двух плоскостях балансируют только длинные сборки, выше 20 000 об/мин двухплоскостную балансировку рассматривают для всех.
BIG DAISHOWA предлагает проверку проще: если сила резания больше центробежной силы от дисбаланса, точная балансировка не нужна. На черновом фрезеровании с большой шириной резания так и есть, а балансировать стоит заметно несимметричный инструмент и чистовую обработку на высоких оборотах. Учтите и требования изготовителя станка: некоторые производители обрабатывающих центров связывают гарантию на шпиндель с отбалансированным инструментом выше определённых оборотов.
Как балансируют оправку с инструментом
- Собирают сборку целиком: оправка, штревель, цанга, гайка, инструмент на рабочем вылете.
- Ставят её в балансировочный станок через адаптер, который зажимает конус как шпиндель. Мерят на невысоких оборотах: у Haimer TD 1002 это 400-1 100 об/мин при точности измерения меньше 1 г·мм. Погрешности измерения компенсируют двумя замерами с поворотом оправки на 180°.
- Короткие оправки балансируют в одной плоскости, длинный инструмент в двух: сверлят радиальные отверстия, вворачивают балансировочные винты или поворачивают балансировочные кольца, затем повторяют замер.
Сверлить оправку без согласования с её производителем рискованно. BIG DAISHOWA описывает оператора, который по подсказке балансировочного станка просверлил оправки с подводом СОЖ, попал в поперечные каналы и испортил несколько штук. На длинной сборке коррекция не в той плоскости убирает статический дисбаланс, но добавляет момент, и на полных оборотах вибрация растёт.
Признаки дисбаланса и что проверить сначала
Дисбаланс даёт вибрацию, которая растёт с оборотами, следы вибрации на чистовых поверхностях, трудности с точными размерами, выкрашивание кромок и падение стойкости, а со временем износ подшипников шпинделя. Как отличить выкрашивание от других видов износа, разобрано в статье «износ режущего инструмента». По наблюдению Haimer, на высоких оборотах он вызывает биение при вращении, которого индикатор в статике не показывал. Но не всё, что списывают на дисбаланс, им является. Перед балансировкой:
- прокрутите сборку на рабочих оборотах без резания: если вхолостую вибрации нет, ищите причину в режимах, вылете и жёсткости;
- проверьте биение инструмента: по опыту производителей оснастки, разброс биения часто съедает выигрыш от балансировки;
- осмотрите конусы оправки и шпинделя и штревель;
- уточните у изготовителя станка, на какие режимы настроен шпиндель: BIG DAISHOWA описывает цех, где перебалансировка оправок не помогла, потому что шпиндель был настроен на большой крутящий момент.
Частые вопросы
Нужно ли балансировать оправку для работы на 8 000 об/мин?
Обычно нет, если оправка и инструмент симметричны: в отраслевых руководствах порогом считают 8 000-10 000 об/мин. Исключение составляет длинный или несимметричный инструмент, например длинная расточная оправка: ей балансировка может понадобиться уже на 5 000-6 000 об/мин.
Как перевести г·мм в граммы?
Разделите дисбаланс на радиус, на котором ставят груз или сверлят отверстие. 2 г·мм на радиусе 20 мм это 0,1 г, на радиусе 10 мм 0,2 г.
Можно ли отбалансировать оправку без балансировочного станка?
Для класса G2,5 на высоких оборотах нет: допуск 1-2 г·мм на сборке массой 1-1,5 кг означает смещение центра масс меньше чем на 2 мкм, его измеряет только балансировочный станок. Без станка берут оправки, отбалансированные на заводе, а сборки балансируют в сервисе.
Балансировка и биение это одно и то же?
Нет. Биение показывает, насколько кромки инструмента уходят с оси, балансировка описывает распределение массы. Но они связаны: смещённый инструмент добавляет дисбаланс, а дисбаланс на высоких оборотах раскачивает шпиндель и даёт биение при вращении.
Подберём оправки под ваш станок, конус и обороты: цанговые BT-ER, патроны SLA, оправки BT-FMB, цанги и гайки ER, и подскажем, какой класс балансировки указан для конкретной позиции. Звоните +7 (495) 135-25-88 или выбирайте в разделе фрезерные оправки, доставляем по России.
