AXILINEEquilibragem de fusos de alta rotação e conjuntos de ferramenta no local de operação
A dez mil rotações, um desequilíbrio que num ventilador ninguém notaria transforma-se numa força de dezenas de newtons e em ondulação na peça. Ao mesmo tempo, não se pode tocar no próprio fuso: a carcaça, os rolamentos de alta precisão e a sua pré-carga são zona do fabricante. Vimos ao local, medimos a vibração nos apoios do cabeçote do fuso e equilibramos aquilo que realmente se retira e volta a colocar: a bucha, a pinça, o mandril, a ferramenta montada. E dizemos logo onde a sua tarefa termina em equilibragem, e onde começa a reparação do conjunto.
Porque é que, a dezenas de milhares de rotações, tudo se calcula de forma diferente
A força centrífuga de um desequilíbrio residual cresce com o quadrado da frequência de rotação. Tome um conjunto com 3 kg de massa e um desequilíbrio residual de 3,6 g·mm. A 8 000 rpm, isto são cerca de 2,5 N; a máquina nem vai notar. A 20 000 rpm, o mesmo conjunto dá cerca de 16 N de força rotativa, aplicada ao apoio dianteiro e à aresta de corte. Nada mudou, exceto as rotações.
A seguir entra a segunda particularidade. Os rolamentos de alta precisão trabalham com uma pré-carga definida, e esta vive a sua própria vida: muda com o aquecimento, depende do regime e de quanto tempo o fuso já funcionou. Enquanto a pré-carga não estabilizar, a resposta do sistema à massa de ensaio anda a derivar, e o método dos coeficientes de influência — o cálculo das massas de correção a partir da resposta da máquina à massa de ensaio — deixa de funcionar. Daí a regra rigorosa da deslocação: aquecemos o fuso às rotações de trabalho e só equilibramos com leituras estáveis.
- A vida útil da ferramenta baixou nos regimes anteriores, a aresta lasca em vez de desgastar uniformemente
- Nas operações de acabamento apareceu uma ondulação regular, com um passo igual ao avanço por volta do fuso
- O nível de vibração no sistema CNC subiu nas rotações altas; nas baixas, tudo continua como antes
- O zumbido e a vibração mudam com a troca de ferramenta: um conjunto é silencioso, outro é visivelmente pior
- Depois de trocar a pinça, a porca, o parafuso de aperto ou o prolongador, o quadro mudou
- O apoio dianteiro aquece mais do que o habitual, o som mudou de timbre, não só de volume
Se o nível saltou num único arranque, geralmente não é desequilíbrio, mas sim uma pastilha perdida, uma massa deslocada ou uma fixação que se soltou. A equilibragem vai mascarar isso, não eliminá-lo.
O que roda exatamente: o fuso, a bucha e a ferramenta são um único rotor
O próprio veio do fuso é equilibrado de fábrica e, numa exploração normal, não se desequilibra. O desequilíbrio num fuso de alta rotação vem de fora, junto com a ferramenta montada. O sistema a equilibrar é o cone do fuso mais a bucha mais o conjunto de aperto mais a ferramenta, e o que é preciso equilibrar é precisamente o conjunto, na posição angular em que realmente trabalha.
Cone e tipo de assentamento
HSK com aperto pelo cone e pelo topo, SK e BT com um único assentamento cónico, hastes poligonais. No SK e no BT há uma fonte de desequilíbrio à parte — o parafuso de aperto: ele próprio é assimétrico e é muitas vezes colocado de forma diferente de conjunto para conjunto. No HSK são críticos a limpeza do topo e o estado dos segmentos de aperto: um assentamento incompleto do topo dá batimento, que não se remove com massas.
Mandril de pinça
A porca com ranhuras para a chave, a própria pinça com fendas longitudinais, o encaixe de assentamento. Cada peça é assimétrica, e o resultado depende da posição angular em que apertou a porca. Daí a marcação obrigatória: a porca, a pinça, a bucha e o fuso montam-se marca com marca, senão a equilibragem só dura até à primeira desmontagem.
Aperto térmico e aperto hidráulico
Construtivamente mais simétricos do que a pinça, e geralmente dão um desequilíbrio inicial menor. Mas o aperto térmico é sensível à limpeza do orifício e à profundidade de assentamento da ferramenta, e o aperto hidráulico aos resíduos de lubrificante na câmara. Defina o comprimento livre da ferramenta pelo encosto, não a olho: uma mudança no comprimento livre muda tanto o desequilíbrio como a rigidez.
A própria ferramenta
Uma fresa de uma só pastilha, uma cabeça de mandrilar com ferro regulável, uma ferramenta escalonada, um prolongador. São corpos assimétricos por construção, e o seu desequilíbrio não desaparece. Estes conjuntos equilibram-se obrigatoriamente, e obrigatoriamente completos, com a bucha com que vão trabalhar.
Fusos de instalações de ensaio
Veios de aceleração e de acionamento de bancos de ensaio, cabeçotes de fuso de instalações de rodagem e de equilibragem. Normalmente são rotores rígidos (que não se curvam às rotações de trabalho), de comprimento moderado, com planos de correção de origem nos topos. O nosso formato é o que melhor se adapta a estes, se as rotações puderem manter-se estáveis.
A regra é simples: equilibra-se o conjunto, não a peça. Se desmontou e montou de novo sem marcação, perdeu o resultado.
Onde está a fronteira entre a equilibragem da ferramenta e a reparação do fuso
Esta é a questão principal por causa da qual mais frequentemente nos chamam. A equilibragem só reduz a componente de rotação da vibração — aquela que se repete exatamente uma vez por volta. Tudo o resto não se trata com massas. O primeiro arranque de diagnóstico serve precisamente para separar estas zonas antes de alguém pagar por massas.
| O que se vê na máquina | O que mostra o aparelho | De quem é a zona |
|---|---|---|
| O nível sobe em degrau ao instalar a bucha, no fuso vazio é baixo | Domina o 1x, a fase repete-se de arranque para arranque dentro de poucos graus | Equilibragem do conjunto, fazemos no local |
| Conjuntos diferentes dão níveis diferentes, os piores são sempre os mesmos | O 1x muda junto com a ferramenta montada, o espectro está limpo quanto ao resto | Equilibragem e seleção de conjuntos, fazemos no local |
| Nível alto já no fuso vazio e aquecido | Existe 1x, mas não está associado à ferramenta montada | Causa interna: assentamento do rotor, marcas de reparação. Assistência do fabricante |
| Zumbido em todos os regimes, aquecimento do apoio dianteiro | Picos em altas frequências, não múltiplos das rotações, crescimento na aceleração de vibração | Rolamentos do fuso. Reparação do conjunto, equilibragem depois dela |
| Batimento do cone e do topo, visível com o relógio comparador no fuso parado | 1x mais uma má repetibilidade da fase | Geometria do assentamento: limpeza, rodagem, reparação do cone |
| A amplitude e a fase derivam à medida que aquece, com rotações constantes | Deriva sem mudança de regime | Estado térmico e pré-carga. Não equilibrar |
| Subida brusca numa faixa estreita de rotações, acima diminui | Pico estreito, inversão de fase de cerca de 180° | Ressonância do cabeçote, da proteção ou da bancada. Construção e fixação |
Não mexemos na carcaça do fuso. Não desmontamos o conjunto, não ajustamos a pré-carga, não trocamos rolamentos e não furamos nada, nem no cone nem na carcaça. Se encontramos um rolamento gasto, entregamos os números, o espectro e um parecer, e adiamos a equilibragem para depois da reparação. O desequilíbrio residual é uma carga rotativa adicional sobre os apoios, e o cálculo de vida útil segundo a ISO 281 não a considera, a menos que a tenha introduzido. Como ler o espectro de um rolamento está tratado num artigo à parte sobre o diagnóstico de rolamentos por vibração.
Fontes: ISO 13373-3:2015 · ISO 281:2007
O que fazemos no local, e o que não fazemos
A fronteira não é definida pela vontade, mas sim pela faixa de medição e pela estabilidade do regime. O aparelho calcula o valor RMS da velocidade de vibração na faixa de 5–200 Hz, e 200 Hz correspondem a 12 000 rpm. Até este valor, fazemos o ciclo completo: diagnóstico, arranques de ensaio, correção, controlo e avaliação do nível total.
Acima de 12 000 rpm, funciona a física do rotor rígido: o desequilíbrio residual é uma propriedade do conjunto, não do regime. Por isso, é possível equilibrá-lo a uma frequência de rotação reduzida e estável, onde a resposta é linear e se repete. Às rotações de trabalho, verificamos depois a componente de rotação e o espectro. Isto consegue-se em fusos com acionamento por variador de frequência, onde se pode definir rotações intermédias e mantê-las. Se essa possibilidade não existir, há apenas uma resposta honesta: a bucha equilibra-se numa máquina especializada em conjuntos de ferramenta, e nós fazemos o diagnóstico do conjunto e o relatório.
- Aceitamos: conjuntos de ferramenta em centros de maquinação e fresadoras, onde as rotações são controláveis
- Aceitamos: cabeçotes de fuso e veios de acionamento de instalações de ensaio com rotor rígido
- Aceitamos: um diagnóstico pontual, quando é preciso perceber se é desequilíbrio, rolamentos ou ressonância
- Não aceitamos: desmontagem do fuso, ajuste da pré-carga, reparação do cone
- Não aceitamos: a certificação da ferramenta montada pela classe G para receção; isso é trabalho de uma máquina de equilibragem com o seu próprio esquema de medição
- Não aceitamos: um fuso cujas rotações não se conseguem manter estáveis; os coeficientes de influência aí não se reproduzem
- Não aceitamos: uma máquina em ressonância às rotações de trabalho; o resultado não se vai manter
A escolha entre o trabalho no local e a máquina na oficina está tratada num artigo à parte. Se o formato de deslocação não se adequar à sua tarefa, dizemo-lo antes da fatura, não depois.
Como decorre a deslocação
- 01
Acordo antes da deslocação
Tipo de máquina e de fuso, rotações de trabalho e faixa de regulação, tipo de cone, o que está montado no fuso, que defeito se vê na peça. Aqui decidimos se avançamos para o ciclo completo ou para o diagnóstico.
- 02
Pontos de medição
Limpamos as zonas e colocamos dois acelerómetros na carcaça do cabeçote do fuso, na radial, junto ao apoio dianteiro e ao traseiro, sobre metal, não sobre a proteção ou a chapa. Mantemos a mesma direção de medição para medição.
- 03
Marca de fase
Colamos a marca refletora no fuso ou no flange da bucha, estritamente uma só, e confirmamos as rotações pelas leituras do aparelho. Pela marca, o aparelho associa a vibração ao ângulo de rotação do veio — é isso que é a fase. Com acionamento por correia, a marca vai no veio que se está a equilibrar, senão é fácil confundir no espectro a componente de rotação do fuso com a do motor.
- 04
Aquecimento e medição inicial
Aquecemos às rotações de trabalho, normalmente a partir de vinte minutos, até as leituras estabilizarem. Registamos o nível total, a amplitude e a fase do 1x nos apoios, o espectro e o sinal no tempo. Dois arranques seguidos mostram se a fase se repete.
- 05
Planos de correção
A máquina está parada e bloqueada. Procuramos onde a massa vai fisicamente assentar: anéis de equilibragem do fuso, parafusos de ajuste ou encaixes da bucha, orifícios no topo. Numeramos as posições no sentido de rotação e medimos o raio real.
- 06
Massa de ensaio
Colocamos uma massa pesada e fixamo-la com a mesma solidez com que ficará a definitiva. O arranque é válido se o 1x mudou 20–30% em amplitude, ou 20–30° em fase. Num conjunto rígido de alta rotação, isto consegue-se com frações de grama, por isso é preciso uma balança precisa.
- 07
Cálculo e instalação da correção
O programa indica a massa e o ângulo por plano, e, em modo de posições fixas, logo o número do encaixe ou do parafuso. Onde não há onde acrescentar, calcula a furação. O zero de referência do ângulo está sempre onde esteve a massa de ensaio.
- 08
Controlo, marcação, coeficientes
Arranque de controlo no mesmo regime e nos mesmos pontos, se necessário uma iteração com uma pequena massa adicional. Verificamos ainda em mais dois regimes de trabalho da máquina. Marcamos a posição angular da bucha, da pinça e da porca, e guardamos os coeficientes de influência do conjunto.
Trabalhamos com o vibroanalisador-equilibrador portátil de dois canais Balanset-1A: dois acelerómetros, sensor de fase a laser por marca refletora, módulo USB de dois canais e programa num portátil. Equilibragem num e em dois planos pelo método dos coeficientes de influência, vibração total e 1x com fase, rotações, espectro, sinal no tempo, posições fixas, cálculo de furação, tolerância por classes G, arquivo e relatórios. Pelos coeficientes guardados, a afinação seguinte decorre sem arranques de ensaio; há um artigo à parte sobre a equilibragem de afinação (trim).
Fontes: Manual de operação Balanset-1A
Onde colocar a massa e como a fixar
Num fuso de alta rotação, a escolha dos locais de correção quase não deixa liberdade. Tudo o que não está previsto na construção cai de imediato: a força centrífuga, a estas rotações, arranca tudo o que não esteja fixado por rosca ou por forma.
Anéis de equilibragem de origem
Muitos fusos têm dois anéis com massas que rodam ao longo da circunferência, ou pequenas massas ajustáveis numa ranhura anelar. É um plano de correção legítimo, calculado pelo fabricante para as rotações de trabalho. Trabalhamos com eles em primeiro lugar.
Encaixes e parafusos da bucha
As buchas de ferramenta têm muitas vezes orifícios roscados para parafusos de equilibragem, ou ranhuras anelares. A massa coloca-se a um raio conhecido, com o binário de aperto conforme as instruções, e fixador de roscas quando necessário.
Remoção de metal por furação
Onde não há nada a acrescentar, o programa calcula o diâmetro e a profundidade do orifício, a um raio definido. Fura-se apenas no corpo da bucha, e apenas na zona permitida pelo fabricante. O cone, o topo de assentamento e a carcaça do fuso não se tocam em nenhuma circunstância.
Dispositivo de autoequilibragem
Em fusos de retificação, existe por vezes um dispositivo de origem que compensa a deriva do desequilíbrio do rebolo dentro da sua própria faixa. Isto não dispensa a equilibragem inicial: se o dispositivo chegou ao limite, o desequilíbrio saiu da faixa, e primeiro remove-se com massas.
O que nunca existe num fuso
Uma placa soldada, plasticina, uma massa magnética, uma anilha sob um parafuso qualquer. A dez mil rotações, isso é um projétil. Fixamos a massa de ensaio exatamente com a mesma solidez que a definitiva, senão o primeiro arranque será o último.
Sobre os métodos de fixação das massas de correção e sobre a segurança dos trabalhos no local, temos artigos à parte. Na deslocação, acordamos a ordem de bloqueio da máquina e o regime de afinação com o responsável pelo equipamento antes do primeiro arranque.
Tolerância: porque a contagem é em miligramas
As classes de precisão segundo a ISO 21940-11 definem o desequilíbrio residual específico, calculado como a classe G multiplicada por 9549 e dividida pelas rotações. Quanto mais altas as rotações, menor o resíduo permitido, e a dezenas de milhares de rotações cai para valores que uma balança comum não apanha. Abaixo, um exemplo para um conjunto de ferramenta com 3 kg de massa e um raio de correção de 25 mm.
- O 1x residual-alvo, no programa do aparelho, é um número em mm/s que você define. É um critério interno do procedimento, e não substitui os outros dois
- A vibração total em mm/s RMS (RMS é o mesmo que o valor quadrático médio) avalia o estado da máquina. Registe em separado a parte e a edição aplicáveis da ISO 20816, os pontos de medição e o regime; para máquinas-ferramenta há ressalvas
- O desequilíbrio residual em g·mm/kg, por classes G, já é uma característica do rotor, não da máquina, e comprova-se com o seu próprio esquema de medição
| Rotações | Classe | Resíduo específico, g·mm/kg | Massa admissível ao raio de 25 mm |
|---|---|---|---|
| 12 000 rpm | G 2,5 | 1,99 | cerca de 0,24 g |
| 20 000 rpm | G 2,5 | 1,19 | cerca de 0,14 g |
| 20 000 rpm | G 1 | 0,48 | cerca de 57 mg |
| 24 000 rpm | G 1 | 0,40 | cerca de 48 mg |
| 30 000 rpm | G 0,4 | 0,13 | cerca de 15 mg |
Para conjuntos de ferramenta, a tolerância é muitas vezes definida não pela classe G, mas sim por um desequilíbrio residual limite em g·mm, à frequência de rotação limite declarada da bucha. O que exatamente se aplica no seu caso, fixe-o na especificação, junto com a parte e a edição da norma. Como se escolhe a classe G está tratado num artigo à parte. A conclusão prática é uma só: as massas pesam-se em balanças precisas, cada peça do conjunto coloca-se sempre na mesma posição angular, e a sujidade no cone anula qualquer número.
Fontes: ISO 21940-11:2016 · ISO 20816-1:2016
O que provoca o desequilíbrio residual precisamente nesta máquina
Num rotor de baixa velocidade, o desequilíbrio é ruído e desgaste. Num fuso de alta rotação, ele primeiro estraga a peça e consome a ferramenta, e só depois chega aos rolamentos.
- A aresta da ferramenta recebe uma carga variável uma vez por volta. Em vez de um desgaste uniforme, há lascamento, e a vida útil cai antes do previsto
- Na superfície aparece uma ondulação regular, com um passo igual ao avanço por uma volta do fuso. Isto distingue o desequilíbrio do chatter (autovibrações durante o corte), cujo passo não está ligado às rotações
- A cota deixa de se manter nas passagens de acabamento; é preciso acrescentar passagens e reduzir o avanço
- O apoio dianteiro recebe uma carga rotativa constante que não está no cálculo de vida útil original
- A pré-carga trabalha num regime mais pesado, o conjunto aquece mais e perde a geometria mais depressa
- O cone e o conjunto de aperto recebem uma carga alternada, o assentamento desgasta-se, o batimento cresce, e o ciclo fecha-se
O inverso também é verdade: um conjunto equilibrado até uma classe rigorosa remove esta carga por completo. Mas só a parte que vem da massa. O chatter, o desgaste do cone e o defeito de rolamento continuam onde estavam.
Preço, o que recebe e como encomendar
Vêm ter consigo engenheiros que desenvolvem e fabricam os aparelhos Balanset e que também equilibram com eles no local. Base em Vila Nova de Gaia, perto do Porto, deslocamo-nos a todo o Portugal. Existe também a variante Balanset-1A OEM, sem estojo, se quiser integrar o percurso de medição no seu próprio banco de ensaio ou máquina e equilibrar a ferramenta montada com os seus próprios meios.
o vibrodiagnóstico com relatório custa 300 EUR por unidade, a equilibragem acresce desde 250 EUR, a fatura mínima por visita é de 500 EUR. O total depende do número de conjuntos, do número de planos de correção, do tempo de aquecimento e de arranques, e da distância ao local. O cálculo exato é dado pela calculadora no site.
- Medição antes e depois no mesmo regime: rotações, nível total em mm/s RMS, amplitude e fase do 1x nos apoios
- Espectro e sinal no tempo, que mostram o que baixou e o que ficou
- Massas, posições angulares ou números de posição, e raios reais das massas instaladas
- Parecer sobre a mecânica: batimentos, estado dos rolamentos pelo espectro, fixação, sinais de ressonância
- Coeficientes de influência do conjunto, guardados, e o esquema de marcação no próprio equipamento
- Tipo de máquina, modelo do fuso, rotações de trabalho e faixa de regulação
- Tipo de cone e de aperto: HSK, SK, BT, mandril de pinça, aperto térmico
- O que está montado no fuso e que conjuntos levantam dúvidas
- Que defeito vê na peça, e a partir de que momento apareceu
- Se existem anéis de equilibragem de origem ou um dispositivo de autoequilibragem
- Números de vibração atuais, se houver monitorização, e fotografias do conjunto e da zona de correção
Se, pelos resultados do primeiro arranque, se verificar que o nível não vem da massa, não iniciamos a equilibragem. Vai receber as medições, o espectro e um parecer, com o qual pode ir à assistência do fabricante.
Fontes: Especificações do fabricante Balanset-1A
Perguntas frequentes
Temos um eletrofuso a 24 000 rpm. Fazem alguma coisa no local?
A componente de rotação de um fuso destes situa-se nos 400 Hz — fora da faixa de 5–200 Hz, na qual o aparelho calcula o valor RMS da velocidade de vibração. Por isso, não fazemos o ciclo completo clássico, com avaliação do nível total às rotações de trabalho. Funcionam dois caminhos alternativos. O primeiro: equilibramos o conjunto a uma frequência reduzida e estável, onde a resposta se repete — num rotor rígido, o desequilíbrio residual não depende das rotações. Às rotações de trabalho, verificamos depois a componente de rotação e o espectro. O segundo: a bucha com a ferramenta equilibra-se numa máquina especializada em conjuntos de ferramenta, e nós, no local, fazemos o diagnóstico do conjunto e a avaliação da vibração. O que se aplica no seu caso, decidimo-lo pelo tipo de acionamento e por ser ou não possível definir rotações intermédias.
Equilibrar o fuso ou a bucha?
Comece pela bucha e por todo o conjunto de ferramenta. Faça um teste simples: meça a vibração no fuso vazio e aquecido, depois com a bucha vazia, depois com a bucha e a ferramenta. Se o nível subir em degrau ao instalar a ferramenta montada, a tarefa é de equilibragem e resolve-se numa única deslocação. Se o nível já for alto no fuso vazio, a equilibragem da bucha não o vai remover, e a conversa passa para o assentamento do rotor, o cone e os rolamentos.
É preciso equilibrar cada bucha do armazém de ferramentas?
Não. Equilibre os conjuntos que realmente trabalham nas rotações altas e em operações de acabamento, e aqueles em que a ferramenta é assimétrica por construção: cabeças de mandrilar, fresas de uma só pastilha, prolongadores longos. Os conjuntos de desbaste, a rotações moderadas, geralmente não precisam disso. É mais sensato selecionar uma dezena de conjuntos críticos, equilibrá-los e marcar a posição angular de todas as peças, do que perseguir todo o armazém.
No fuso de retificação existe um dispositivo de autoequilibragem. Então para que servem vocês?
O dispositivo de origem compensa a deriva lenta do desequilíbrio do rebolo: a retificação de perfil, o desgaste, o fluido de corte absorvido. Ele trabalha dentro da sua própria faixa de compensação, e não dispensa a equilibragem inicial do conjunto. Se o dispositivo chegou ao limite, o desequilíbrio saiu da faixa, e é preciso primeiro removê-lo com massas. Além disso, ele não faz nada quanto ao batimento do cone, ao defeito de rolamento e à ressonância do cabeçote. Medimos o que sobrou depois do seu funcionamento, e dizemos exatamente o que causa o resíduo.
A vibração cresce à medida que aquece, e não regressa. É desequilíbrio?
Provavelmente não. Uma deriva da amplitude e da fase da componente de rotação, com rotações constantes e temperatura a subir, aponta para um comportamento térmico do conjunto: mudança da pré-carga, empeno térmico, roçamento. A equilibragem, neste estado, fixaria um ponto de aquecimento e pioraria outro. Fazemos uma série de medições à medida que aquece, e decidimos a partir dela. Só equilibramos quando a amplitude e a fase estão estáveis com o fuso aquecido.
Que classe de precisão definir para um conjunto de ferramenta?
A classe é definida por quem encomenda o trabalho, não pelo prestador. Uma referência prática, segundo a ISO 21940-11, é G 1 para fusos de máquinas-ferramenta, G 0,4 para fusos de retificação de precisão, e G 2,5 para ferramenta menos crítica. Tenha em conta que, para conjuntos de ferramenta, a tolerância é muitas vezes definida de outra forma: por um desequilíbrio residual limite em g·mm, à frequência de rotação limite declarada da bucha. Fixe na especificação tanto o valor como a parte aplicável e a edição da norma, senão a receção vai transformar-se numa discussão.
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