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機械社區

標題: 高速切削刀具系統動平衡技術研究 [打印本頁]

作者: 410599517 時間: 2013-3-4 15:21
標題: 高速切削刀具系統動平衡技術研究
一、概述在高速旋轉下，刀具系統(刀具-夾頭-刀柄)的一點點不平衡都會產生較大的離心力，引起機床和刀具的振動，產生不均勻的切削力，不僅影響被加工工件的加工精度和表面質量，又會影響機床主軸軸承和刀具的不規則磨損，迅速降低其使用壽命。高速旋轉刀具的不平衡對加工表面粗糙度Ra的影響可用下面的實例說明。實驗目的：通過切削實驗，比較用兩種不平衡量的刀具系統進行切削，徑向切深，對銑削加工表面粗糙度Ra的影響。

圖1 試件加工表面粗糙度Ra與ap關系

實驗條件：試件材料為鋁合金。加工機床為瑞士米克郎公司產HSM600銑削中心，刀具選用Ø10mm超細晶粒硬質合金整體立銑刀，4齒，30°螺旋角，刀尖圓弧半徑1mm ，兩刀具系統不平衡量分別為u1=100g·mm、u2=2.5g·mm。加工參數為主軸轉速15,000r/min ，進給速度5.3m/min 。實驗結果分析：用兩種不平衡量刀具進行切削，試件加工表面粗糙度Ra與徑向切深ap的關系如圖1所示。從實驗結果看，試件加工表面粗糙度Ra隨徑向切削深度ap的增大而增大，而且兩種不平衡量刀具對其加工表面粗糙度的影響有較大差距。因此，研究高速旋轉刀具的動平衡技術是推廣應用高速切削加工技術的重要內容。目前，許多國家已對高速切削刀具的動平衡問題進行了廣泛研究，如動平衡標準，動平衡方法、動平衡質量等級界定、動平衡儀器等。二、刀具系統動平衡技術的發展現狀1. 平衡標準旋轉體的不平衡量，是指其質量重心偏離旋轉中心的量。不平衡量U在數值上等于旋轉體質量M(g) 乘以偏心距e(mm)，也等于等效不平衡質量m(g)乘以其回轉半徑r(mm)，即：U=Me=mr(g·mm)不平衡量U可在動平衡機上測得。就旋轉刀具和刀柄來說，目前由于國內、外尚無統一的刀具平衡標準，世界各國和機床廠家采用的標準也不一樣，往往借用旋轉體平衡的國際標準ISO1940-1。在該標準里，用G參數作為平衡等級指標，召后面的數字表示在一定轉速下單位旋轉體質量允許的殘余不平衡量(mm/s)。G參數的數字量分級從G0.4～G4000，數字越小，平衡質量等級越高。根據ISO1940-1的G等級標準，允許的不平衡量味Uper(g·mm)可用下式表示：

Uper=	9549GM

	N

(1)

式中：G——平衡等級指標(mm/s)M——旋轉體質量(kg)N——旋轉體轉速(r/min)由不平衡量引起的離心力F可用下式表示：

F=U(	N	)

	9549

(2)

在采用G平衡等級來確定旋轉體的允許不平衡量時，機床常用的等級有三個：G6.3為一般精度級，主要用于一般切削機床和n機械旋轉體的平衡；G2.5為高精度級，主要用于有特殊平衡要求的機床和機械旋轉體；G1.0為超精度級，主要用于磨床和精密機械旋轉體。實際在高速切削機床上，一些高速電主軸的平衡指標已達到G0.4級。舉例：已知刀具系統的質量M=1000g，確定的平衡質量等級為G6.3，轉速為N=15000r/min。求在此條件下允許的不平衡量。

解：Uper=	9549GM	=	9549×6.3×1	≈3.34(g·mm)

	N		18000

圖2 平衡質量等級圖

以上結果也可從ISO1940-1標準給出的平衡質量等級圖(如圖2所示)中查得刀具系統單位質量允許的殘余不平衡量Uper/M，再乘以刀具系統的質量而求得。2. 刀具系統的平衡方法旋轉刀具系統的動平衡原理與一般旋轉體的動平衡原理相似。首先，刀具系統結構的設計應盡可能對稱，并盡量減小刀具系統的質量。如目前應用較廣的中空短錐刀柄(HSK) 就比傳統的標準7/24實心長刀柄的動平衡性能好得多。其次，在需要對刀具進行平衡時，可根據測出的不平衡量采用刀柄去重或調節配重等方法實現平衡。常用的平衡方法有以下三種。

在制造階段對刀具和刀柄分別進行平衡。具體方法是用動平衡機檢測出不平衡量的大小和位置，然后在相反的位置切去相應量。這一工作是由刀具和刀柄生產廠家完成。
采用可調平衡刀柄。即使經過了動平衡的刀具、夾頭、刀柄，當裝配起來組成刀具系統時，由于有多個中間裝配環節的影響，往往會出現總體不平衡。這就需要對刀具系統進行總體平衡。常用的可調平衡刀柄是在標準刀柄上增加可調的部件。一種是在刀柄的外端面上鉆出一系列平行于軸線的螺紋孔，用固定螺釘進行調節。根據需要的平衡量用手動方法旋入或退出螺釘，即改變刀柄的徑向重心位置。另一種是采用帶有平衡調節環的刀柄，根據測得的刀柄不平衡點的位置從平衡調節表中查出平衡環的調整角度，按調整角度旋轉帶有刻度的調節環，并鎖緊螺釘。
用自動平衡系統進行在線平衡。從嚴格的意義上講，刀具系統的動平衡應是在其裝入主軸后，在工作轉速下的動平衡。所以，更精確的調整平衡，最理想的方法是把刀具裝入機床主軸后，在工作轉速下測量和調整。這就需要一個整體自動平衡系統。美國肯納金屬(Kennametal)公司開發出的一種可以調節主軸系統平衡的自動平衡系統，它能使主軸一刀柄一刀具一夾頭構成的系統在2s內自動實現動平衡。這種自動調整系統由自動平衡刀柄、微機控制器、測量傳感器和固定調整線圈組成。其工作原理是在刀柄的平衡環中裝有永久磁體，可對有兩個平衡塊的轉子進行定位。在計算機測量出不平衡量和位置時，向線圈發出脈沖信號，由線圈中產生的電磁量改變刀柄中永久磁體的位置，達到消除不平衡量的目的。1 z) G6 G! B5 p; P5 K6 e" r: C

三、問題討論1. 平衡標準的適用目前，高速切削刀具的動平衡大多沿用國際標準ISO1940-1設定的G等級標準來評定，這并非完全合理。因為該標準不是專為機床刀具系統制定的，而主要是用于剛性旋轉體。這樣，使用一個固定的G等級作為刀具平衡標準往往不能解決實際問題。例如，采用G2.5等級時，若刀具系統總裝配質量為1kg ，主軸轉速為12000r/min。按式(1)計算得到的允許不平衡量要求小于2g·mm；按式(2)計算，相應的最大離心力是3N。顯然，這個要求太高，難以實現。另一方面，由于ISO1940-1標準沒有考慮刀具的特征，其理論計算與實際要求也有不符之處。從式(1)可以看出，在給定的G等級和轉速條件下，刀具質量的增加相應地增加了允許的不平衡量，即降低了平衡要求，而實際情況是，刀具越重，平衡要求應該越高。刀具允許的不平衡量應該越小，平衡要求越嚴格。鑒于此，有的國家制定了自己的刀具平衡標準，如美國標準ANSIS2.19、德國標準DIN69893-1，我國有關部門也正在制定高速切削刀具的平衡標準。但世界著名的Sandvik公司認為，對于刀具系統的平衡，沒有一個統一的標準能在各處都適用，應根據實驗的方法來確定刀具的平衡質量。2. 合理平衡質量等級的確定對于高速旋轉刀具系統，不平衡量當然是越小越好。但進行嚴格的刀具動平衡需花費很多人力和物力。平衡應該達到的程度，一方面要考慮加工質量要求，另一方面也要考慮加工成本，具體的要求應該根據實際情況決定。刀具平衡質量等級不應該用一個固定的G值來確定，而應該是由上限值和下限值界定一個范圍。大于上限值時刀具的不平衡量將對加工質量帶來負面影響，而小于下限值則表明不平衡量要求過嚴，這在技術和經濟上既不合理，也無必要。在刀具平衡質量評價尺度上，不應該以加工效果的好壞作為刀具平衡的評價尺度，因為影響加工效果的因素是多樣性的。而應該以主軸軸承動載荷的大小作為刀具平衡質量的評價尺度，因刀具不平衡引起的主軸軸承動載荷的大小是與不平衡量直接相關的參數。

作者: dong_huike01 時間: 2013-10-30 14:38
平衡質量等級圖有沒有智能電子版的？這樣就免得計算了；

作者: 執扳手的書生 時間: 2016-5-8 11:15
做畢業設計找了查了很久，在這里找到了有用的信息，非常感謝。

作者: 執扳手的書生 時間: 2016-5-8 11:31
但是第二個公式有誤，擴號外應該加一個平方。

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