高速切削刀具系統(tǒng)動(dòng)平衡技術(shù)研究

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一、概述在高速旋轉(zhuǎn)下，刀具系統(tǒng)(刀具-夾頭-刀柄)的一點(diǎn)點(diǎn)不平衡都會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，引起機(jī)床和刀具的振動(dòng)，產(chǎn)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(zhì)量，又會(huì)影響機(jī)床主軸軸承和刀具的不規(guī)則磨損，迅速降低其使用壽命。高速旋轉(zhuǎn)刀具的不平衡對(duì)加工表面粗糙度Ra的影響可用下面的實(shí)例說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)切削實(shí)驗(yàn)，比較用兩種不平衡量的刀具系統(tǒng)進(jìn)行切削，徑向切深，對(duì)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(guān)系

實(shí)驗(yàn)條件：試件材料為鋁合金。加工機(jī)床為瑞士米克郎公司產(chǎn)HSM600銑削中心，刀具選用Ø10mm超細(xì)晶粒硬質(zhì)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(tǒng)不平衡量分別為u1=100g·mm、u2=2.5g·mm。加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速15,000r/min ，進(jìn)給速度5.3m/min 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：用兩種不平衡量刀具進(jìn)行切削，試件加工表面粗糙度Ra與徑向切深ap的關(guān)系如圖1所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)其加工表面粗糙度的影響有較大差距。因此，研究高速旋轉(zhuǎn)刀具的動(dòng)平衡技術(shù)是推廣應(yīng)用高速切削加工技術(shù)的重要內(nèi)容。目前，許多國(guó)家已對(duì)高速切削刀具的動(dòng)平衡問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究，如動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)平衡方法、動(dòng)平衡質(zhì)量等級(jí)界定、動(dòng)平衡儀器等。二、刀具系統(tǒng)動(dòng)平衡技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1. 平衡標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)體的不平衡量，是指其質(zhì)量重心偏離旋轉(zhuǎn)中心的量。不平衡量U在數(shù)值上等于旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量M(g) 乘以偏心距e(mm)，也等于等效不平衡質(zhì)量m(g)乘以其回轉(zhuǎn)半徑r(mm)，即：U=Me=mr(g·mm)不平衡量U可在動(dòng)平衡機(jī)上測(cè)得。就旋轉(zhuǎn)刀具和刀柄來(lái)說(shuō)，目前由于國(guó)內(nèi)、外尚無(wú)統(tǒng)一的刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)，世界各國(guó)和機(jī)床廠家采用的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，往往借用旋轉(zhuǎn)體平衡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1940-1。在該標(biāo)準(zhǔn)里，用G參數(shù)作為平衡等級(jí)指標(biāo)，召后面的數(shù)字表示在一定轉(zhuǎn)速下單位旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量允許的殘余不平衡量(mm/s)。G參數(shù)的數(shù)字量分級(jí)從G0.4～G4000，數(shù)字越小，平衡質(zhì)量等級(jí)越高。根據(jù)ISO1940-1的G等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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(jí)指標(biāo)(mm/s)M——旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量(kg)N——旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)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(jí)來(lái)確定旋轉(zhuǎn)體的允許不平衡量時(shí)，機(jī)床常用的等級(jí)有三個(gè)：G6.3為一般精度級(jí)，主要用于一般切削機(jī)床和n機(jī)械旋轉(zhuǎn)體的平衡；G2.5為高精度級(jí)，主要用于有特殊平衡要求的機(jī)床和機(jī)械旋轉(zhuǎn)體；G1.0為超精度級(jí)，主要用于磨床和精密機(jī)械旋轉(zhuǎn)體。實(shí)際在高速切削機(jī)床上，一些高速電主軸的平衡指標(biāo)已達(dá)到G0.4級(jí)。舉例：已知刀具系統(tǒng)的質(zhì)量M=1000g，確定的平衡質(zhì)量等級(jí)為G6.3，轉(zhuǎn)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

0 H5 m2 P6 x  k圖2 平衡質(zhì)量等級(jí)圖

以上結(jié)果也可從ISO1940-1標(biāo)準(zhǔn)給出的平衡質(zhì)量等級(jí)圖(如圖2所示)中查得刀具系統(tǒng)單位質(zhì)量允許的殘余不平衡量Uper/M，再乘以刀具系統(tǒng)的質(zhì)量而求得。2. 刀具系統(tǒng)的平衡方法旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡原理與一般旋轉(zhuǎn)體的動(dòng)平衡原理相似。首先，刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能對(duì)稱，并盡量減小刀具系統(tǒng)的質(zhì)量。如目前應(yīng)用較廣的中空短錐刀柄(HSK) 就比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)7/24實(shí)心長(zhǎng)刀柄的動(dòng)平衡性能好得多。其次，在需要對(duì)刀具進(jìn)行平衡時(shí)，可根據(jù)測(cè)出的不平衡量采用刀柄去重或調(diào)節(jié)配重等方法實(shí)現(xiàn)平衡。常用的平衡方法有以下三種。

• 在制造階段對(duì)刀具和刀柄分別進(jìn)行平衡。具體方法是用動(dòng)平衡機(jī)檢測(cè)出不平衡量的大小和位置，然后在相反的位置切去相應(yīng)量。這一工作是由刀具和刀柄生產(chǎn)廠家完成。
• 采用可調(diào)平衡刀柄。即使經(jīng)過(guò)了動(dòng)平衡的刀具、夾頭、刀柄，當(dāng)裝配起來(lái)組成刀具系統(tǒng)時(shí)，由于有多個(gè)中間裝配環(huán)節(jié)的影響，往往會(huì)出現(xiàn)總體不平衡。這就需要對(duì)刀具系統(tǒng)進(jìn)行總體平衡。常用的可調(diào)平衡刀柄是在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上增加可調(diào)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(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)需要的平衡量用手動(dòng)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(diào)節(jié)環(huán)的刀柄，根據(jù)測(cè)得的刀柄不平衡點(diǎn)的位置從平衡調(diào)節(jié)表中查出平衡環(huán)的調(diào)整角度，按調(diào)整角度旋轉(zhuǎn)帶有刻度的調(diào)節(jié)環(huán)，并鎖緊螺釘。
• 用自動(dòng)平衡系統(tǒng)進(jìn)行在線平衡。從嚴(yán)格的意義上講，刀具系統(tǒng)的動(dòng)平衡應(yīng)是在其裝入主軸后，在工作轉(zhuǎn)速下的動(dòng)平衡。所以，更精確的調(diào)整平衡，最理想的方法是把刀具裝入機(jī)床主軸后，在工作轉(zhuǎn)速下測(cè)量和調(diào)整。這就需要一個(gè)整體自動(dòng)平衡系統(tǒng)。美國(guó)肯納金屬(Kennametal)公司開(kāi)發(fā)出的一種可以調(diào)節(jié)主軸系統(tǒng)平衡的自動(dòng)平衡系統(tǒng)，它能使主軸一刀柄一刀具一夾頭構(gòu)成的系統(tǒng)在2s內(nèi)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。這種自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)由自動(dòng)平衡刀柄、微機(jī)控制器、測(cè)量傳感器和固定調(diào)整線圈組成。其工作原理是在刀柄的平衡環(huán)中裝有永久磁體，可對(duì)有兩個(gè)平衡塊的轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位。在計(jì)算機(jī)測(cè)量出不平衡量和位置時(shí)，向線圈發(fā)出脈沖信號(hào)，由線圈中產(chǎn)生的電磁量改變刀柄中永久磁體的位置，達(dá)到消除不平衡量的目的。
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三、問(wèn)題討論1. 平衡標(biāo)準(zhǔn)的適用目前，高速切削刀具的動(dòng)平衡大多沿用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1940-1設(shè)定的G等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定，這并非完全合理。因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)不是專為機(jī)床刀具系統(tǒng)制定的，而主要是用于剛性旋轉(zhuǎn)體。這樣，使用一個(gè)固定的G等級(jí)作為刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)往往不能解決實(shí)際問(wèn)題。例如，采用G2.5等級(jí)時(shí)，若刀具系統(tǒng)總裝配質(zhì)量為1kg ，主軸轉(zhuǎn)速為12000r/min。按式(1)計(jì)算得到的允許不平衡量要求小于2g·mm；按式(2)計(jì)算，相應(yīng)的最大離心力是3N。顯然，這個(gè)要求太高，難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，由于ISO1940-1標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮刀具的特征，其理論計(jì)算與實(shí)際要求也有不符之處。從式(1)可以看出，在給定的G等級(jí)和轉(zhuǎn)速條件下，刀具質(zhì)量的增加相應(yīng)地增加了允許的不平衡量，即降低了平衡要求，而實(shí)際情況是，刀具越重，平衡要求應(yīng)該越高。刀具允許的不平衡量應(yīng)該越小，平衡要求越嚴(yán)格。鑒于此，有的國(guó)家制定了自己的刀具平衡標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSIS2.19、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN69893-1，我國(guó)有關(guān)部門也正在制定高速切削刀具的平衡標(biāo)準(zhǔn)。但世界著名的Sandvik公司認(rèn)為，對(duì)于刀具系統(tǒng)的平衡，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能在各處都適用，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定刀具的平衡質(zhì)量。2. 合理平衡質(zhì)量等級(jí)的確定對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)，不平衡量當(dāng)然是越小越好。但進(jìn)行嚴(yán)格的刀具動(dòng)平衡需花費(fèi)很多人力和物力。平衡應(yīng)該達(dá)到的程度，一方面要考慮加工質(zhì)量要求，另一方面也要考慮加工成本，具體的要求應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況決定。刀具平衡質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)該用一個(gè)固定的G值來(lái)確定，而應(yīng)該是由上限值和下限值界定一個(gè)范圍。大于上限值時(shí)刀具的不平衡量將對(duì)加工質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響，而小于下限值則表明不平衡量要求過(guò)嚴(yán)，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上既不合理，也無(wú)必要。在刀具平衡質(zhì)量評(píng)價(jià)尺度上，不應(yīng)該以加工效果的好壞作為刀具平衡的評(píng)價(jià)尺度，因?yàn)橛绊懠庸ばЧ囊蛩厥嵌鄻有缘摹６鴳?yīng)該以主軸軸承動(dòng)載荷的大小作為刀具平衡質(zhì)量的評(píng)價(jià)尺度，因刀具不平衡引起的主軸軸承動(dòng)載荷的大小是與不平衡量直接相關(guān)的參數(shù)。

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平衡質(zhì)量等級(jí)圖有沒(méi)有智能電子版的？這樣就免得計(jì)算了；

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做畢業(yè)設(shè)計(jì)找了查了很久，在這里找到了有用的信息，非常感謝。

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但是第二個(gè)公式有誤，擴(kuò)號(hào)外應(yīng)該加一個(gè)平方。