刀具動平衡技術介紹

　　1.引言

　　從二十世紀八十年代開始，隨著現(xiàn)代制造技術的快速發(fā)展，金屬切削加工進入了以高速切削為代表的發(fā)展階段。由于高速切削技術具有明顯的技術優(yōu)勢，目前已在工業(yè)發(fā)達國家的汽車、飛機、模具等工業(yè)制造領域得到廣泛應用，產(chǎn)生了巨大的技術經(jīng)濟效益，并顯示出在二十一世紀現(xiàn)代制造技術發(fā)展中具有的重要地位和廣闊應用前景。

　　“高速切削”目前還是一個發(fā)展中的相對概念。對于不同的工件材料和不同的加工工序，要求達到的切削速度并不相同，通�？蓪⑶邢魉俣龋ɑ蜻M給速度）較普通切削提高5～1O倍歸入高速切削范疇。

　　高速切削的實現(xiàn)需要建立在機床、刀具等相關領域最新技術成果的基礎上。目前，高速切削主要應用于在加工中心機床上采用銑刀、鏜刀、孔加工刀具等旋轉刀具進行的切削加工，所用加工中心機床的主軸轉速通常在lO000r／min以上。當加工中心機床主軸轉速高達lO000r／min以上時，高速旋轉的刀具（包括夾持刀柄）存在的不平衡量所產(chǎn)生的離心力將對主軸軸承、機床部件等施加周期性載荷，從而引起振動，這將對主軸軸承、刀具壽命和加工質量造成不利影響。因此，高速切削加工對旋轉刀具提出了嚴格的動平衡要求。研究高速旋轉刀具的動平衡技術、有效控制刀具不平衡量是研制開發(fā)和推廣應用高速切削技術的必要前提和配套技術。德國的切削行業(yè)對高速旋轉刀具動平衡技術做了大量研究開發(fā)工作，本文結合有關報導對高速切削刀具動平衡技術的研究現(xiàn)狀及一些相關問題作一介紹。

　　2.動平衡的一般概念

　　旋轉刀具的動平衡原理與一般旋轉零件的動平衡原理相似。首先，刀具結構的設計應盡可能對稱；其次，在需要對刀具進行平衡時，可根據(jù)測出的不平衡量采用刀柄去重或調節(jié)配重等方法實現(xiàn)平衡。由于刀具品種不同，具體采用的平衡方法也不相同。法國EPB公司特制的平衡刀具（柄）產(chǎn)品內裝了平衡配重機構，并設置了配重刻度，通過轉動配重環(huán)，調整其相對位置，即可補償因刀具結構不對稱或調刀引起的不平衡量；德國Walter公司的高速面銑刀則采用螺釘調節(jié)不平衡量。

　　對于普通的刀具或工具系統(tǒng)，可由刀具制造商或用戶借助于平衡機進行平衡。但是，如何科學、定量地規(guī)定和評價刀具的平衡質量以及在不同加工條件下允許的刀具不平衡量，是刀具制造商和用戶關心的首要問題。為此，有必要介紹一下機械轉子動平衡的一般概念。

　　IS01940《剛性轉子的動平衡質量要求》標準規(guī)定，一個轉子的不平衡量（或稱殘留不平衡量）用U表示（單位為gmm），U值可在平衡機上測得；某一轉子允許的不平衡量（或稱允許殘留不平衡量）用Uper表示。從實際平衡效果考慮，通常轉子的質量m（kg）越大，其允許殘留不平衡量也越大。為對轉子的平衡質量進行相對比較，可用單位質量殘留不平衡量e表示，即e＝U／m（gmm／kg），相應地即有eper＝Uper／m。U和e是轉子本身對于給定回轉軸所具有的靜態(tài)（或稱準動態(tài)）特性，可定量表示轉子的不平衡程度。從準動態(tài)的角度看，一個用U、e和m值表示其靜態(tài)特性的轉子完全等效于一個質量為m（kg）、且其重心與回轉中心的偏心距為e（μm）的不平衡轉子，而U值則為轉子質量m（kg）與偏心距e（μm）的乘積。因此，也可將e稱為殘留偏心量，這是e的一個很有用的物理含義。

　　實際上，一個轉子平衡質量的優(yōu)劣是一個動態(tài)概念，它與使用的轉速有關。如ISO1940標準給出的平衡質量等級圖上一組離散的標有G值的45°斜線表示不同的平衡質量等級，其數(shù)值為eper(gmm／kg)與角速度ω(rad／s)的乘積(單位為mm／s)，用于表示一個轉子平衡質量的優(yōu)劣。例如，某個轉子的平衡質量等級G＝6.3，表示該轉子的e值與使用時ω值的乘積應小于或等于6.3。使用時，可根據(jù)要求的平衡質量等級G及轉子可能使用的最大轉速，從圖上查出轉子允許的eper值，再乘以轉子質量，即可求出該轉子允許的不平衡量。

　　接下來的問題是如何確定高速旋轉刀具的合理平衡質量等級G，從而得出在最高使用轉速下要求的Uper值。

　　3.合理平衡質量等級的確定

　　為了確定高速旋轉刀具統(tǒng)一的合理平衡質量等級G，由德國政府和機器制造商協(xié)會(VDMA)所屬精密工具專業(yè)委員會牽頭成立了工作組，將刀具動平衡技術作為一個“要求公開”的項目進行了系統(tǒng)研究。研究組的成員來自相關行業(yè)及技術領域，如刀具、機床和平衡機制造行業(yè)、用戶行業(yè)、大學和研究機構等。根據(jù)他們的研究結果，提出了“高速旋轉刀具系統(tǒng)平衡要求”的指導性規(guī)范(FMK—Richtlinie)。

　　該規(guī)范有三個要點：

　　(1)認為對刀具平衡質量等級的要求是由上限值和下限值界定的一個范圍，大于上限值時刀具的不平衡量將對加工帶來負面影響，而小于下限值則表明不平衡量要求過嚴，這在技術和經(jīng)濟上既不合理且無必要。

　　(2)以主軸軸承動態(tài)載荷的大小作為刀具平衡質量的評價尺度，并規(guī)定以G16作為統(tǒng)一的上限值。由于切削加工條件以及影響加工效果因素的多樣性，以加工效果的好壞作為刀具平衡的評價尺度并不能普遍適用，而因刀具不平衡引起的主軸軸承動態(tài)載荷的大小則是與不平衡量直接相關的參數(shù)，因此提出以主軸軸承動態(tài)載荷的大小作為制定統(tǒng)一平衡要求的依據(jù)。

　　根據(jù)VDI加56(DIN／ISO10816)“機械振動評定標準”的規(guī)定，可將使主軸軸承產(chǎn)生最大振動速度(1～2.8mm／s)的不平衡量作為刀具系統(tǒng)允許不平衡量的上限值。當以lmm/s或2.8mm/s的振動速度作為評價尺度時，不同重量的HSK一63刀柄在一定轉速范圍內所允許的平衡質量等級G的上限值(三條曲線b)表明，G的上限值與刀具的質量、轉速和選定的機床主軸振動速度有關，且分散在一個較大范圍內。工作組選取振動速度1.2mm/S、2mm/s、轉速范圍10000～40000r/min、重量0.5～10kg的不同規(guī)格HSK刀柄，計算出27個G的上限值，其中最大G值達201，